JP4371781B2 - 磁気セル及び磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気セル及び磁気メモリに関し、特にスピン偏極した電子を流すことにより書き込みが可能な磁気セル及び磁気メモリに関する。

磁性体の磁化方向を制御するためには、従来、磁界を印加する方法が採られてきた。例えば、ハードディスクドライブ（hard disk drive）においては、記録ヘッドから発生する磁場により、媒体の磁化方向を反転させ、書き込みを行なっている。また、固体磁気メモリでは、磁気抵抗効果素子の近傍に設けられた配線に電流を流すことで生じる電流磁界をセルに印加することで、セルの磁化方向制御を行なう。これらの外部磁場による磁化方向制御は古い歴史をもち、確立された技術といえる。

一方、昨今のナノテクノロジーの進歩により、磁性材料も急激に微細化し、磁化制御もナノスケールで局所的に行なう必要が出てきた。しかしながら、磁場は根本的に空間に広がる性質を有するので、局所化が難しい。ビットやセルのサイズが微小化するにつれ、特定のビットやセルを選択してその磁化方向を制御させる場合に、隣のビットやセルにまで磁場が及んでしまう「クロストーク」の問題が顕著となる。また、磁場を局所化させるために磁場発生源を小さくすると、十分な発生磁場が得られないという問題が生じる。

最近、磁性体に電流を流すことにより磁化反転を起こす「電流直接駆動型磁化反転」が見出された（例えば、非特許文献１参照）。
電流による磁化の反転は、スピン偏極した電流が磁性層を通過する際に発生するスピン偏極電子の角運動量が、磁化反転させたい磁性体の角運動量に伝達・作用することで磁化の反転を起こす現象である。この現象を用いれば、ナノスケールの磁性体に対して、より直接的に作用させることが可能であり、より微小な磁性体に対する記録が可能になる。
F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000)

しかしながら、現在のところ、磁化を反転させるための反転電流は、セルのサイズが１００ナノメータから数１０ナノメータ程度の場合でも、１０ｍＡ〜数ｍＡと極めて大きいという問題がある。つまり、電流による素子破壊を防止し、発熱を防止し、さらに低消費電力化のためには、できるだけ小さな電流で磁化反転するような磁気セル構造が望まれる。

本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、電流直接駆動による磁化反転の際の反転電流を低減させることができる磁気セル及びそれを用いた磁気メモリを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の磁気セルは、磁化が膜面に対して垂直な第１の方向に固定された第１の強磁性層と、磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を備え、
前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする。

第１及び第２の強磁性層すなわち２つの磁性固着層の磁化を反平行としたことにより、第３の強磁性層すなわち磁性記録層へ働くスピン方向は最終的に同一方向となり、２倍の作用が働く。その結果として、磁性記録層の磁化の反転のための電流を低減することが可能となる。

ここで、前記第３の強磁性層の磁化容易軸は、前記第１の方向に対して平行であるものとすれば、スピン偏極電流による書き込みをより確実に行い、且つ、読み出しの際には、大きな磁気抵抗効果を利用することができる。

また、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の電気抵抗は、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第１の方向と同一の状態において第１の値となり、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第２の方向と同一の状態において前記第１の値よりも大なる第２の値となり、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の電気抵抗は、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第２の方向と同一の状態において第３の値となり、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第１の方向と同一の状態において前記第３の値よりも大なる第４の値となるものすれば、いわゆるノーマルタイプの磁気抵抗効果を示す組合せにより、確実な書き込みができる。

また、前記第１の強磁性層から前記第３の強磁性層を介して前記第２の強磁性層に向けて電子電流を流した場合には、前記第３の強磁性層の磁化の方向は前記第１の方向とされ、前記第２の強磁性層から前記第３の強磁性層を介して前記第１の強磁性層に向けて電子電流を流した場合には、前記第３の強磁性層の磁化の方向は前記第２の方向とすることができる。

また、磁化が第１の方向に固定された第１の強磁性層と、磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を備え、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、
前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の電気抵抗は、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第１の方向と同一の状態において第１の値となり、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第２の方向と同一の状態において前記第１の値よりも小なる第２の値となり、
前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の電気抵抗は、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第２の方向と同一の状態において第３の値となり、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第１の方向と同一の状態において前記第３の値よりも小なる第４の値となるものとすれば、いわゆるリバースタイプの磁気抵抗効果を示す組合せにより、確実な書き込みができる。

また、前記第１の中間層の膜厚と前記第２の中間層の膜厚とが互いに異なるものとすれば、磁気抵抗効果を利用した第３の強磁性層の磁化の読み出しを容易にできる。

また、前記第１の中間層の電気抵抗と前記第２の中間層の電気抵抗とが互いに異なるものとしても、磁気抵抗効果を利用した第３の強磁性層の磁化の読み出しを容易にできる。

また、前記第１及び第２の中間層のいずれか一方は、中間物質層を含むものとしても、磁気抵抗効果を利用した第３の強磁性層の磁化の読み出しを容易にできる。

また、磁化が第１の方向に固定された第１の強磁性層と、磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を備え、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、前記第１及び第２の中間層のいずれか一方は、ピンホールを有する絶縁体からなり、前記ピンホールは、前記絶縁体の両側に隣接する前記強磁性層の材料によって充填されてなるものとしても、磁気抵抗効果を利用した第３の強磁性層の磁化の読み出しを容易にできる。

また、前記第１及び第２の強磁性層は、膜厚及び材料の少なくともいずれかが異なるものとしても、磁気抵抗効果を利用した第３の強磁性層の磁化の読み出しを容易にできる。

また、前記第１及び第２の強磁性層は、静磁結合してなるものとすれば、これらの反平行の磁化を容易に実現できる。

また、前記第１及び第２の強磁性層の少なくともいずれかは、隣接して設けられた反強磁性層によりその磁化方向が固定されてなるものとしてもよい。

また、磁化が第１の方向に固定された第１の強磁性層と、磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を備え、
前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、
前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、
前記第１及び第２の強磁性層の少なくともいずれかに隣接して非磁性層と第４の強磁性層と反強磁性層とがこの順に積層され、前記非磁性層の両側に隣接する前記強磁性層の磁化の方向は、同一の方向に固定されてなるものとしてもよい。

または、前記第１及び第２の強磁性層の少なくともいずれかに隣接して非磁性層と第４の強磁性層と反強磁性層とがこの順に積層され、前記非磁性層の両側に隣接する前記強磁性層の磁化の方向は、反対の方向に固定されてなるものとしてもよい。

一方、本発明の第２の磁気セルは、磁化が膜面に対して垂直な第１の方向に固定された第１の強磁性層を含む第１の磁化固着部と、磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層を含む第２の磁化固着部と、前記第１の磁化固着部と前記第２の磁化固着部との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１の磁化固着部と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の磁化固着部と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を備え、
前記第３の強磁性層の磁化容易軸は、前記第１の方向に対して平行であり、前記第１及び第２の磁化固着部の少なくともいずれかは、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され前記強磁性層が前記非磁性層を介して反強磁性結合してなる積層体を有し、前記第１の強磁性層は、前記第１の中間層に隣接し、前記第２の強磁性層は、前記第２の中間層に隣接し、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、前記第１の磁化固着部と前記第２の磁化固着部との間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする。

ここで、前記第１及び第２の磁化固着部のいずれか一方が有する前記強磁性層の数は偶数であり、前記第１及び第２の磁化固着部のいずれか他方が有する前記強磁性層の数は奇数であるものとすれば、最も外側に位置する２つの磁性層の磁化方向が平行となる。これら両外側の磁性層ＦＭを図示しない反強磁性層により磁化固着する際に、固着すべき方向が同一であることから、形成プロセスが容易であるというメリットがある。

また、前記第１及び第２の磁化固着部と、前記第３の強磁性層と、前記第１及び第２の中間層と、がその上に積層された基板をさらに備え、前記第１及び第２の磁化固着部のうちの前記基板から遠い側に設けられたものが有する前記強磁性層の数は、偶数であるものとすることができる。基板から遠い磁性固着層は、横方向の寸法が微細加工により小さくなるため、磁極からの漏れ磁場が生じやすい。この漏れ磁場による磁気バイアスは、反転電流をシフトさせ、いずれかの方向において磁場バイアスがない場合に比べ反転電流が大きくなる。これに対して、偶数の強磁性層を反強磁性結合させた積層膜による磁性固着構造を採用すれば、反転電流のシフトを防ぎ、いずれの方向についても反転電流を低く維持できる。
また、磁化が第１の方向に固定された第１の強磁性層と、磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を備え、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、前記第３の強磁性層は、強磁性体からなる複数の層を積層させた積層体であるものとすれば、安定した書き込みを確実且つ容易に実施できる。

また、前記第１及び第２の中間層のいずれか一方は導電体からなり、いずれか他方は絶縁体からなるものとすれば、磁気抵抗効果を利用した第３の強磁性層の磁化の読み出しを容易にできる。

また、前記第２の強磁性層に隣接して設けられた第３の中間層と、前記第３の中間層に隣接して設けられ、磁化の方向が可変の第４の強磁性層と、前記第４の強磁性層に隣接して設けられた第４の中間層と、前記第４の中間層に隣接して設けられ、磁化の方向が実質的に前記第１の方向に固定された第５の強磁性層と、をさらに備えたものとしてもよい。

一方、本発明の磁気メモリは、上記のいずれかの複数の磁気セルを絶縁体を間に介しつつマトリクス状に設けたメモリセルを備えたことを特徴とする。

また、複数の磁気セルを絶縁体を間に介しつつマトリクス状に設けたメモリセルを備え、前記複数の磁気セルのそれぞれは、磁化が膜面に対して垂直な第１の方向に固定された第１の強磁性層と、磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を有し、前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、前記メモリセル上の前記磁気セルのそれぞれに対して、プローブによりアクセス可能としたことを特徴とする磁気メモリとすることもできる。

また、前記メモリセル上の前記磁気セルのそれぞれにワード線とビット線とが接続され、前記ワード線とビット線とを選択することにより、特定の磁気セルに対して情報の記録または読み出しを可能とすることもできる。

本発明によれば、微小サイズの磁性体に局所的に低消費電力で磁化を書き込むことができる磁気セルを提供でき、さらには、磁気抵抗効果を用いてその書き込み磁化を読み出すことが可能な磁気セルを提供できる。これらの磁気セルは極めて微小であるために、磁気素子の高密度化、高機能化、さらには磁気素子を含むデバイスの全体サイズ縮小化へ効果大であり産業上のメリットは多大である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる磁気セルの基本的な断面構造を例示する模式図である。この磁気セルは、磁化Ｍ１、Ｍ２の向きが互いに反平行な２つの磁性固着層（磁性固着層）Ｃ１、Ｃ２と、磁化方向が可変なひとつの磁性記録層（磁性記録層）Ａ、そして磁性記録層Ａと磁性固着層の間に中間層Ｂ１、Ｂ２を有する。

電流Ｉを上下の固着層Ｃ１、Ｃ２間に流すことによって、磁性記録層Ａの磁化Ｍの方向を制御することができる。具体的には、電流Ｉの流れる向き（極性）を変えることで磁性記録層Ａの磁化Ｍの向きを反転させることができる。情報を記録させる場合には、磁化Ｍの方向に応じて、「０」と「１」とをそれぞれ割り当てればよい。

また、本発明の磁気セルにおいては、各層の磁化方向は、面内方向に限定されず、膜面に対して略垂直な方向であってもよい。

図２は、磁化が膜面に対して垂直な方向に制御された磁気セルの断面構造を表す模式図である。この磁気セルの場合、磁化Ｍ、Ｍ１、Ｍ２は、膜面に対して略垂直な方向に制御されている。このようにしても、電流Ｉを上下の固着層Ｃ１、Ｃ２間に流すことによって、磁性記録層Ａの磁化Ｍの方向を制御することができる。

次に、本発明の磁気セルにおける「書き込み」のメカニズムについて説明する。

図３は、図１に表した磁気セルにおける「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２を設け、これらの界面を横切るように電流Ｉを流して、磁性記録層Ａに対する書き込みを行うメカニズムは、次のとおりに説明される。まず、中間層Ｂ１を介した磁気抵抗効果と、中間層Ｂ２を介した磁気抵抗効果が、いずれも、ノーマルタイプである場合について説明する。ここで、「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果とは、中間層の両側の磁性層の磁化が平行時よりも反平行時に電気抵抗が高くなる場合をいう。つまり、ノーマルタイプの場合、中間層Ｂ１を介した磁性固着層Ｃ１と磁性記録層Ａとの間の電気抵抗は、磁性固着層Ｃ１と磁性記録層Ａの磁化が平行な時には反平行時よりも低くなる。また、中間層Ｂ２を介した磁性固着層Ｃ２と磁性記録層Ａとの間の電気抵抗も、磁性固着層Ｃ２と磁性記録層Ａの磁化が平行な時には反平行時よりも低くなる。

まず、図３（ａ）において、磁化Ｍ１を有する第１の磁性固着層Ｃ１を通過した電子は、磁化Ｍ１の方向のスピンをもつようになり、これが磁性記録層Ａへ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁性記録層Ａへ伝達され、磁化Ｍに作用する。一方、第２の磁性固着層Ｃ２の磁化Ｍ２は、磁化Ｍ１とは逆向きである。このため、電子の流れが第２の磁性固着層Ｃ２へ入る界面においては、磁化Ｍ１と同方向のスピン（同図において右向き）を有する電子は反射される。この反射された電子が有する逆向きスピンは、やはり磁性記録層Ａに作用する。すなわち、第１の磁性固着層の磁化と同じ方向のスピン電子が、磁性記録層Ａに対して２回作用するため、実質的に２倍の書き込み作用が得られる。その結果として、磁性記録層Ａに対する書き込みを従来よりも小さい電流で実施できる。

また、図３（ｂ）は、電流Ｉを反転させた場合を表す。この場合には、電流Ｉを構成する電子は、まず、第２の磁性固着層Ｃ２の磁化Ｍ２の作用を受けて、この方向（同図において左向き）のスピンを有する。このスピン電子は、磁性記録層Ａにおいてその磁化Ｍに作用する。さらに、スピン電子は、それとは逆向きの磁化Ｍ１を有する第１の磁性固着層Ｃ１との界面において反射されて、中間層Ｂ２に溜まり、もう一度磁性記録層Ａの磁化Ｍに作用する。

以上、中間層Ｂ１、Ｂ２を介した磁性固着Ｃ１、Ｃ２と磁性記録Ａとの間の磁気抵抗効果がいずれも「ノーマルタイプ」の場合について説明した。

次に、これらが「リバースタイプ」の場合について説明する。
図４は、磁気セルがリバースタイプの磁気抵抗効果を示す場合における「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。

すなわち、リバースタイプの場合には、中間層Ｂ１を介した磁性固着層Ｃ１と磁性記録層Ａとの間の電気抵抗が、磁性固着層Ｃ１と磁性記録層Ａの磁化が平行な時に反平行時よりも高くなる。また、中間層Ｂ２を介した磁性固着層Ｃ２と磁性記録層Ａとの間の電気抵抗も、磁性固着層Ｃ２と磁性記録層Ａの磁化が平行な時に反平行時よりも高くなる。

中間層Ｂ１、Ｂ２を介した磁気抵抗効果がリバースタイプの場合には、磁性固着層Ｃ１から磁性記録層Ａへ作用するスピン電子は、図４（ａ）に表したように、図３（ａ）の場合とは逆向きとなる。また、磁性固着層Ｃ２から磁性記録層Ａに作用するスピン電子も、図３（ａ）とは逆向きとなる。その結果、磁性記録層Ａの磁化Ｍの方向は、図４（ａ）に表したように磁性固着層Ｃ１の磁化Ｍ１とは反平行となり、磁性固着層Ｃ２の磁化Ｍ２と同じ方向になる。

一方、磁性固着層Ｃ２から磁性固着層Ｃ１に向けて電子電流を流した場合には、図４（ｂ）に表したように磁性記録層Ａの磁化Ｍの方向は、磁性固着層Ｃ１の磁化Ｍ１と同じ向きとなる。

以上説明したように、中間層Ｂ１、Ｂ２を介した磁気抵抗効果が、いずれもノーマルタイプの場合あるいは、いずれもリバースタイプの場合には、電子の流れ方向に応じて、磁性記録層Ａの磁化Ｍの向きが決定される。

しかし、中間層Ｂ１、Ｂ２を介した磁気抵抗効果のうちのいずれか一方がノーマルタイプで、いずれか他方がリバースタイプの場合には、磁性記録層Ａに流入する電子のスピン偏極度が小さくなるために書き込みには不利である。例えば、中間層Ｂ１を介した磁性固着層Ｃ１と磁性記録層Ａとの間の磁気抵抗効果がノーマルタイプであり、一方、中間層Ｂ２を介した磁性固着層Ｃ２と磁性自由層Ａとの間の磁気抵抗効果がリバースタイプである場合には、磁性記録層Ａに作用する電子のスピン方向は、これら中間層Ｂ１、Ｂ２の界面で逆向きとなるので、本発明の効果は得られにくい。

以上説明したように、本実施形態によれば、２つの磁性固着層の磁化Ｍ１、Ｍ２を反平行としたことにより、磁性記録層Ａへ働くスピン方向は最終的に同一方向となり、２倍の作用が働く。その結果として、磁性記録層Ａの磁化の反転のための電流を低減することが可能となる。

以上説明した「書き込み」のメカニズムは、図２に表したように磁化が膜面に対して垂直な方向に制御された磁気セルにおいても同様である。

図５は、図２に表した磁気セルにおける「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。同図については、図１乃至図３に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図５に表したように、磁化方向が垂直とされた場合にも、２つの磁性固着層の磁化Ｍ１、Ｍ２を反平行としたことにより、磁性記録層Ａへ働くスピン方向は最終的に同一方向となり、２倍の作用が働く。その結果として、磁性記録層Ａの磁化の反転のための電流を低減することが可能となる。

次に、本実施形態の磁気セルにおける「読み出し」の方法について説明する。本実施形態の磁気セルにおいて、磁性記録層Ａの磁化Ｍの方向の検出は、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる「磁気抵抗効果」を利用して行うことができる。

図６は、本実施形態の磁気セルの読み出し方法を説明するための概念図である。すなわち、磁気抵抗効果を利用する場合、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２のいずれかと磁性記録層との間でセンス電流Ｉを流し、磁気抵抗を測定すればよい。図６においては、第１の磁性固着層Ｃ１と磁性記録層Ａとの間で磁気抵抗を測定する場合を例示したが、これとは逆に、第２の磁性固着層Ｃ２と磁性記録層Ａとの間で磁気抵抗を測定してもよい。

図７は、磁化の相対的な向きによる磁気抵抗の変化を説明するための概念図である。すなわち、同図（ａ）は、磁性固着層Ｃ１の磁化Ｍ１と、磁性記録層Ａの磁化Ｍとが同一の方向の場合を表す。この場合、これらにセンス電流Ｉを流して検出される磁気抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に小さな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては相対的に大きな値となる。

一方、図７（ｂ）は、磁性固着層Ｃ１の磁化Ｍ１と、磁性記録層Ａの磁化Ｍとが反平行の場合を表す。この場合、これらにセンス電流Ｉを流して検出される磁気抵抗は、ノーマルタイプの磁気抵抗効果において相対的に大きな値となり、リバースタイプの磁気抵抗効果においては相対的に小さな値となる。
これら抵抗が互いに異なる状態に、それぞれ「０」と「１」を対応づけることにより、２値データの記録読み出しが可能となる。

一方、磁気セルの両端を介してセンス電流を流すことにより磁気抵抗を検出する方法もある。すなわち、第１の磁性固着層Ｃ１と第２の磁性固着層Ｃ２との間でセンス電流を流すことにより磁気抵抗を検出する。しかし、本発明においては、一対の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化Ｍ１、Ｍ２は、反平行である。このため、「対称構造」すなわち磁性固着層Ｃ１、Ｃ２のスピン依存散乱の大きさが同一であると、あるいは、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２から磁性記録層に作用する電子のスピン偏極度が同一であると、磁性記録層Ａの磁化Ｍがどちらの方向にある場合も、検出される磁気抵抗は、同一になってしまう。そこで、「非対称構造」を採用する必要がある。

図８は、非対称構造の第１の具体例を表す模式断面図である。

非対称構造の一例として、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の厚みや材料などを互いに異ならせることにより、磁化Ｍ１、Ｍ２の大きさを変えることができる。図８に表した具体例の場合、第２の磁性固着層Ｃ２を第１の磁性固着層Ｃ１よりも厚く形成することにより、磁性固着層Ｃ２によるスピン依存バルク散乱の寄与をＣ１のそれよりも大きくする。このようにすれば、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２を介してセンス電流を流して「読み出し」を行う場合に、磁性記録層Ａの磁化Ｍの方向に応じて、検出される磁気抵抗が異なる。

但し、図８に表したように第１及び第２の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の厚みを変える代わりに、それらの材料を変えることにより、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２によるスピン依存散乱の大きさを変えてもよい。

図９（ａ）は、非対称構造の第２の具体例を表す模式断面図である。

すなわち、本具体例の場合、中間層Ｂ１、Ｂ２の厚みが異なる。つまり、中間層Ｂ１は磁気抵抗効果が検出されやすい厚さにし、もう一方の中間層Ｂ２は磁気抵抗効果が検出されにくい厚さにする。この場合、中間層Ｂ１の厚みの範囲としては０．２ｎｍから１０ｎｍの範囲、中間層Ｂ２の厚みの範囲としては３ｎｍから５０ｎｍの範囲とするとよい。

このようにすれば、中間層Ｂ１を挟んだ磁性固着層Ｃ１と磁性記録層Ａとの間の磁気抵抗効果を主に検出することができ、磁性記録層Ａの磁化Ｍを検出することが容易となる。

図９（ｂ）は、非対称構造の第３の具体例を表す模式断面図である。すなわち、本具体例においては、中間層Ｂ１、Ｂ２の電気抵抗が互いに異なるものとされている。このためには、中間層Ｂ１、Ｂ２の材料や組成を互いに異なるものとしたり、いずれか一方の中間層に添加元素を加えるなどの方法が有効である。

またさらに、中間層Ｂ１、Ｂ２の一方を銅（Ｃｕ）などの導電材料により形成し、他方を絶縁体により形成してもよい。中間層Ｂ１（あるいはＢ２）を薄い絶縁体により形成すると、いわゆるトンネル磁気抵抗効果（tunneling magnetoresistance effect：ＴＭＲ）が得られ、磁性記録層Ａの磁化の読み出しに際して、大きな再生信号出力を得ることが可能となる。

図１０は、非対称構造の第４の具体例を表す模式断面図である。

すなわち、本具体例の場合、中間層Ｂ２に中間物質層ＩＥが挿入されている。この中間物質層ＩＥは、磁気抵抗効果の増大を起こすためのものである。中間物質層ＩＥとしては、例えば、不連続な絶縁性の薄膜を挙げることができる。すなわち、ピンホールなどを有する絶縁性の薄膜を中間層に挿入することにより、磁気抵抗効果を増大させることが可能となる。

このような不連続な絶縁性の薄膜としては、例えば、ニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）の合金の酸化物または窒化物、ニッケル（Ｎｉ）と金（Ａｕ）の合金の酸化物または窒化物、アルミニウム（Ａｌ）と銅（Ｃｕ）の合金の酸化物または窒化物などを挙げることができる。

これら合金の酸化物や窒化物などの化合物は、加熱等によって平衡状態へ近づけることで相分離し、ＡｕやＣｕ等の化合物化（酸化や窒化など）されにくく従って低電気抵抗の相と、ＮｉやＡｌ等の酸化等がされやすく電気抵抗が高い化合物相とに分離する。このため、組成および温度あるいは印加エネルギーを制御することにより、ピンホールが存在する不連続な絶縁性薄膜を形成することができる。このように非磁性体が充填されたピンホールを形成すると、電流が流れる経路を狭窄することができ、スピン依存散乱効果を高抵抗で検出できるため、大きな磁気抵抗効果が得られる。

このような中間物質層ＩＥを中間層Ｂ１、Ｂ２のいずれかに挿入することにより、その両側の磁性固着層と磁性記録層との間の磁気抵抗効果が増大されて検出が容易となる。

図１１は、非対称構造の第５の具体例を表す模式断面図である。

すなわち、本具体例の場合、中間層Ｂ２は、ピンホールＰＨを有する絶縁層とされている。ピンホールＰＨは、その両側の磁性固着層および磁性中間層の材料により埋め込まれている。

このように、磁性固着層Ｃ２（またはＣ１）と磁性記録層ＡとがピンホールＰＨを介して接続されていると、いわゆる「磁性ポイントコンタクト」が形成され、極めて大きい磁気抵抗効果が得られる。従って、このピンホールＰＨを介した両側の磁性層の間での磁気抵抗効果を検出することにより、磁性記録層Ａの磁化Ｍの方向を容易に判定することができる。

ここで、ピンホールＰＨの開口径は、概ね２０ｎｍ以下であることが望ましい。また、ピンホールＰＨの形状は、円錐状、円柱状、球状、多角錘状、多角柱状などの各種の形状を取りうる。また、ピンホールＰＨの数は、１個でも複数でもよい。但し、少ない方が望ましい。

以上、図８乃至図１１を参照しつつ、磁気抵抗効果により記録層Ａの磁化の方向を容易に読み出すための非対称構造の具体例について説明した。これらの非対称構造は、図２に表した垂直磁化型の磁気セルについても同様に適用して同様の作用が得られる。

次に、本発明の磁気セルにおいて、２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化Ｍ１、Ｍ２の方向を互いに反平行にする方法について説明する。

まず、第１の方法として、固着層Ｃ１、Ｃ２を静磁結合させることにより、磁化Ｍ１、Ｍ２を反平行にする方法を挙げることができる。

図１２は、固着層Ｃ１、Ｃ２の静磁結合を表す模式断面図である。すなわち、本具体例の場合、磁気セルの両側面に絶縁層ＩＬを介して磁気ヨークＭＹが設けられている。磁気ヨークＭＹには、その内部に矢印で表したような磁界が形成され、これら磁気ヨークＭＹと固着層Ｃ１、Ｃ２を介した環流磁界が形成されている。このように、磁気ヨークＭＹを介して固着層Ｃ１、Ｃ２を静磁結合させると、環流磁界により、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とを反平行にすることができる。

この場合、固着層の磁化Ｍ１、Ｍ２の方向をあらかじめ設定するためには、２つの固着層Ｃ１、Ｃ２の厚さを異なるようにして、外部からパルス磁場をかけるなどして磁化Ｍ１、Ｍ２の方向を制御することができる。

また、一方の固着層の外側に接して反強磁性層を形成して一方向異方性を付与することで固着層の磁化方向は制御可能となる。

図１３は、反強磁性層を設けた磁気セルを表す模式断面図である。すなわち、固着層Ｃ２の下に反強磁性層ＡＦが設けられ、固着層Ｃ２と磁性結合させることにより、磁化Ｍ２の方向が固定されている。そして、磁気ヨークＭＹを介してこの固着層Ｃ２と静磁結合している固着層Ｃ１の磁化Ｍ１は、磁化Ｍ２とは逆方向となる。

また、固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化をそれぞれ反強磁性層により固着してもよい。

図１４は、固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化をそれぞれ反強磁性層により固着した磁気セルを表す模式断面図である。すなわち、固着層Ｃ１に隣接して反強磁性層ＡＦ１が設けられ、固着層Ｃ２に隣接して反強磁性層ＡＦ２が設けられている。そして、それぞれの固着層の磁化Ｍ１、Ｍ２は、隣接する反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２によって反平行に固着されている。

このような構造は、反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２のブロッキング温度が異なるように、それらの材料を適宜選択することにより容易に形成できる。すなわち、図１４に表した積層構造を形成した後に、磁場を印加しつつ加熱する。しかる後に、冷却すると、まず、ブロッキング温度の高い反強磁性層において、磁化が固着される。その後、磁場を反転させてさらに冷却すると、ブロッキング温度が低い反強磁性層において磁化が固着され、反平行の磁化が得られる。

図１５も、固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化をそれぞれ反強磁性層により固着した磁気セルを表す模式図である。すなわち、本具体例の場合、固着層Ｃ２の外側には反強磁性層ＡＦ２が設けられ、もう一方の固着層Ｃ１の外側には非磁性層ＡＣを介して磁性層ＦＭと反強磁性層ＡＦ１が設けられている。

この場合、非磁性層ＡＣは、磁性固着層Ｃ１と磁性層ＦＭが反強磁性層間交換結合するような厚さとしておく。また、非磁性層ＡＣの材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）や銅（Ｃｕ）などを用いることができる。

通常の磁場中熱処理による一方向異方性の付与プロセスによれば、２つの反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２と接したそれぞれの磁性層ＦＭ、Ｃ２は、磁化の方向が同じ向きとなる。固着層Ｃ１は、磁性層ＦＭと反強磁性結合しているため、その磁化Ｍ１は、反対の方向を向き、その結果として、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とを反平行に固着することができる。また、この場合、２つの反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２と接したそれぞれの磁性層ＦＭ、Ｃ２は、磁化の方向が同じ向きとなるので、磁化固着形成プロセスが容易になるという利点がある。

なお、この構造の場合、記録層Ａへの書き込みの電流Ｉは、同図に矢印Ｉ１（またはこれと反対方向）で表したように、固着層Ｃ１、Ｃ２の間で流すことが望ましい。しかしながら、使用上の観点に立てば、図１５の反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２のそれぞれ上部と下部に設けられた図示しない電極を用いて、同図の矢印Ｉ２（またはこれと反対方向）で表したように、反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２の間に書き込み電流を流すほうが容易であり、このように流しても記録層Ａに書き込むことができる。

図１６は、固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化を反強磁性層により固着した磁気セルのもうひとつの具体例を表す模式断面図である。

すなわち、本具体例の場合、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の外側に非磁性層ＡＣ、ＦＣを介して磁性層ＦＭ１、ＦＭ２と反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２が設けられている。非磁性層ＡＣは、その両側の磁性層の間で反強磁性層間交換結合が生ずるように調節されている。一方、非磁性層ＦＣは、その両側の磁性層の間で強磁性層間結合が生ずるように調節されている。

一般に、非磁性層を介した層間交換相互作用は、図１７に模式的に表したように非磁性層の膜厚に対して正負に振動する。従って、図１７において符号が異なる２つのピーク位置に対応するように、非磁性層ＡＣ、ＦＣの膜厚を設定すればよい。例えば、図１７におけるｔ_１を非磁性層ＡＣの膜厚とし、ｔ_２を非磁性層ＦＣの膜厚とすればよい。

このような構造にすれば、反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２による一方向異方性の付与により、これらに接したそれぞれの磁性層ＦＭ１、ＦＭ２の磁化配置を同じ向きとし、最終的に磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化方向を反平行に固着できる。

また、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化をこれらに隣接して設けられたハードマグネットにより固着してもよい。あるいは、磁性固着層Ｃ１あるいはＣ２自身にハードマグネットを用いてもよい。この場合のハードマグネットとしては、コバルト白金（ＣｏＰｔ）、鉄白金（ＦｅＰｔ）、コバルト・クロム白金（ＣｏＣｒＰｔ）などの磁性材料を用いることができる。

図１６に表した構造の場合も、記録層Ａへの書き込みの電流Ｉは、同図に矢印Ｉ１（またはこれと反対方向）で表したように、固着層Ｃ１、Ｃ２の間で流すことが望ましい。しかしながら、使用上の観点に立てば、図１６の反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２のそれぞれ上部と下部に設けられた図示しない電極を用いて、同図の矢印Ｉ２（またはこれと反対方向）で表したように、反強磁性層ＡＦ１、ＡＦ２の間に書き込み電流を流すほうが容易であり、このように流しても記録層Ａに書き込むことができる。

以上、本発明の磁気セルにおいて、固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化Ｍ１、Ｍ２を反平行に固着する方法について説明した。

さて、本発明は、磁性記録層Ａが１層のみでなく、複数の場合にも適応できる。

図１８は、２層の磁性記録層を設けた磁気セルを表す模式断面図である。すなわち、この磁気セルにおいては、磁性固着層Ｃ１、中間層Ｂ１、磁性記録層Ａ１、中間層Ｂ２、磁性固着層Ｃ２、中間層Ｂ３、磁性記録層Ａ２、中間層Ｂ４、磁性固着層Ｃ３がこの順に積層されている。すなわち、固着層Ｃ２を共有するようにして、その上下にそれぞれ図１に例示した磁気セルが直列に形成された構造を有する。このように、２層の記録層Ａ１、Ａ２を直列に積層すると、再生出力信号を増大させることができる。

また、図１８において、２つの磁性記録層Ａ１、Ａ２の厚みや材料を変えてこれら磁性記録層Ａ１、Ａ２の磁化反転電流が異なるようにすれば、多値記録が可能となる。また、３層以上の磁性記録層を直列に積層することにより、さらにデータ種類の多い多値記録も可能となる。なお、固着磁性層Ｃ２の磁化固着は、Ｃ２層内部に反強磁性層を挿入して一方向異方性を付与すれば、より効果的である。

本発明においては、磁性固着層Ｃ１（またはＣ２）を複数層とし、あるいは磁性記録層Ａを複数層とすることができる。特に、磁性固着層Ｃ１（またはＣ２）として、反強磁性結合した強磁性層／非磁性層／強磁性層という積層膜を用いた場合に、界面と層内でのスピン依存散乱がより強調されるため、より小さい電流で磁性記録層Ａの磁化反転が図れる。

この具体例として、図１５に関して前述した構造を挙げることができる。すなわち、同図において、磁性層ＦＭ、非磁性層ＡＣ、磁性固着層Ｃ１からなる積層構造をまとめて「磁性固着構造Ｐ１」と見ることができる。この場合、同図に表したように、磁性固着構造Ｐ１のうちの、中間層Ｂ１に接した磁性固着層Ｃ１の磁化方向が磁性固着層Ｃ２の磁化方向と反平行である場合に、本発明の効果が得られる。

図１９は、磁性固着層と磁性記録層Ａとをそれぞれ積層構造とした具体例を表す模式断面図である。すなわち、磁性固着構造Ｐ１として、磁化が反平行に結合した磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性固着層Ｃ１からなる積層体が設けられている。さらに、磁性記録層Ａとして、反強磁性結合した磁性層Ａ１／非磁性層ＡＣ／磁性層Ａ２／非磁性層ＡＣ／磁性層Ａ３からなる積層体が設けられている。この構造において、中間層Ｂ１に接した磁性固着層Ｃ１の磁化方向は、磁性固着層Ｃ２の磁化方向と反平行であり、また、磁性記録層Ａのうちで、中間層Ｂ１と中間層Ｂ２にそれぞれ接した磁性層Ａ１、Ａ２の磁化が互いに平行方向である場合に、本発明の効果が得られる。

磁性記録層Ａを反強磁性結合した積層構造とすることにより、磁性記録層の実効的な飽和磁化を下げることができる。つまり、磁化的なエネルギーを低くできるので、磁化の反転電流、すなわち書き込みのために必要な臨界電流を下げることができる。

また、この構造においては、磁性固着構造Ｐ１を設けることにより、最も外側に位置する２つの磁性層（磁性固着構造Ｐ１の一番上の磁性層ＦＭと、磁性固着層Ｃ２）の磁化方向が平行となる。これら外側の磁性層ＦＭと磁性固着層Ｃ２を図示しない反強磁性層により磁化固着する際に、固着すべき方向が同一であることから、形成プロセスが容易であるというメリットがある。

図２０も、磁性固着層と磁性記録層Ａとをそれぞれ積層構造とした具体例を表す模式断面図である。すなわち、磁性固着構造Ｐ１として、磁化が反平行に結合した磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性固着層Ｃ１からなる積層構造が設けられている。また、磁性記録層Ａとして、強磁性結合した磁性層Ａ１／非磁性層ＦＣ／磁性層Ａ２からなる積層構造が設けられている。この構造において、中間層Ｂ１に接する磁性固着層Ｃ１の磁化方向は、中間層Ｂ２に接する磁化固着層Ｃ２の磁化方向と反平行であり、また、磁性記録層Ａの２つの磁性層Ａ１、Ａ２の磁化が平行である場合に、本発明の効果が得られる。

磁性記録層Ａを強磁性結合した積層構造とすると、磁性記録層の実効的な飽和磁化を下げることができる。つまり、磁化的なエネルギーを低くできるので、磁化の反転電流、すなわち書き込みのために必要な臨界電流を下げることができる。

また、この構造においても、磁性固着構造Ｐ１を設けることにより、最も外側に位置する２つの磁性層（磁性固着構造Ｐ１の一番上の磁性層ＦＭと、磁性固着層Ｃ２）の磁化方向が平行となる。これら外側の磁性層ＦＭと磁性固着層Ｃ２を図示しない反強磁性層により磁化固着する際に、固着すべき方向が同一であることから、形成プロセスが容易であるというメリットがある。

図２１も、磁性固着層と磁性記録層Ａとをそれぞれ積層構造とした具体例を表す模式断面図である。すなわち、磁性固着構造Ｐ１として、磁化が反平行に結合した磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性固着層Ｃ１からなる積層構造が設けられている。また、磁性記録層Ａとして、磁性層Ａ１／磁性層Ａ２／磁性層Ａ３からなる積層構造が設けられている。この構造において、中間層Ｂ１に接した磁性固着層Ｃ１の磁化方向は、中間層Ｂ２に接した磁性固着層Ｃ２の磁化方向と反平行であり、磁性記録層Ａは３つの磁性層Ａ１〜Ａ３の磁化が平行である場合に、本発明の効果が得られる。

磁性記録層Ａを強磁性結合した積層構造とすると、中央の磁性層（Ａ２）に飽和磁化が小さなパーマロイなどを用いることができ、さらに、外側の磁性層（Ａ１、Ａ３）にＣｏＦｅ等のほどほどにスピン非対称性が大きな材料を用いることができるため、磁化反転電流を低くできる。つまり、書き込みの臨界電流値を下げることができるという効果が得られる。

また、この構造においても、磁性固着構造Ｐ１を設けることにより、最も外側に位置する２つの磁性層（磁性固着構造Ｐ１の一番上の磁性層ＦＭと、磁性固着層Ｃ２）の磁化方向が平行となる。これら外側の磁性層ＦＭと磁性固着層Ｃ２を図示しない反強磁性層により磁化固着する際に、固着すべき方向が同一であることから、形成プロセスが容易であるというメリットがある。

図２２は、２つの磁性固着構造が設けられた具体例を表す模式断面図である。すなわち、磁性固着構造Ｐ１として、磁化が反平行に結合した磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性固着層Ｃ１からなる積層構造が設けられ、さらに、磁性固着構造Ｐ２として、磁化が反平行に結合した磁性固着層Ｃ２／非磁性層ＡＣ／磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性層ＦＭからなる積層構造が設けられている。この構造において、磁性固着構造Ｐ１を構成する磁性層のうち中間層Ｂ１に接した磁性固着層Ｃ１の磁化方向と、磁性固着構造Ｐ２を構成する磁性層のうち中間層Ｂ２に接した磁性固着層Ｃ２の磁化方向とが反平行の場合に、本発明の効果が得られる。

また、この構造においては、磁性固着構造Ｐ１、Ｐ２を構成する磁性層の総数を、Ｐ１とＰ２でそれぞれ偶数、奇数としている。このようにすると、最も外側に位置する２つの磁性層（磁性固着構造Ｐ１の一番上の磁性層ＦＭと、磁性固着構造Ｐ２の一番下の磁性層ＦＭ）の磁化方向が平行となる。これら両外側の磁性層ＦＭを図示しない反強磁性層により磁化固着する際に、固着すべき方向が同一であることから、形成プロセスが容易であるというメリットがある。

図２３は、２つの磁性固着構造とともに磁性記録層も積層構造とした具体例を表す模式断面図である。すなわち、磁性固着構造Ｐ１として、磁化が反平行に結合した磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性固着層Ｃ１からなる積層構造が設けられ、さらに、磁性固着構造Ｐ２として、磁化が反平行に結合した磁性固着層Ｃ２／非磁性層ＡＣ／磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性層ＦＭからなる積層構造が設けられている。そして、磁性記録層Ａとして、反強磁性結合した磁性層Ａ１／非磁性層ＡＣ／磁性層Ａ２／非磁性層ＡＣ／磁性層Ａ３からなる積層構造が設けられている。この構造において、磁性固着積層Ｐ１を構成する磁性層のうち中間層Ｂ１に接した磁性固着層Ｃ１の磁化方向と、磁性固着構造Ｐ２を構成する磁性層のうち中間層Ｂ２に接した磁性固着層Ｃ２の磁化方向とが反平行であり、磁性記録層Ａについては中間層Ｂ１と中間層Ｂ２にそれぞれ接した磁性層Ａ１、Ａ３の磁化が平行方向である場合に、本発明の効果が得られる。

また、この構造においても、磁性固着構造Ｐ１、Ｐ２を構成する磁性層の総数を、Ｐ１とＰ２でそれぞれ偶数、奇数としている。このようにすると、最も外側に位置する２つの磁性層（磁性固着構造Ｐ１の一番上の磁性層ＦＭと、磁性固着構造Ｐ２の一番下の磁性層ＦＭ）の磁化方向が平行となる。これら両外側の磁性層ＦＭを図示しない反強磁性層により磁化固着する際に、固着すべき方向が同一であることから、形成プロセスが容易であるというメリットがある。

図２４も、２つの磁性固着構造とともに磁性記録層も積層構造とした具体例を表す模式断面図である。すなわち、磁性固着構造Ｐ１として、磁化が反平行に結合した磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性固着層Ｃ１からなる積層構造が設けられ、磁性固着構造Ｐ２として、磁化が反平行に結合した磁性固着層Ｃ２／非磁性層ＡＣ／磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性層ＦＭからなる積層構造が設けられている。そしてさらに、、磁性記録層Ａとして、強磁性結合した磁性層Ａ１／非磁性層ＦＣ／磁性層Ａ２からなる積層構造が設けられている。この構造において、磁性固着構造Ｐ１を構成する磁性層のうち中間層Ｂ１に接した磁性固着層Ｃ１の磁化方向と、磁性固着構造Ｐ２を構成する磁性層のうち中間層Ｂ２に接した磁性固着層Ｃ２の磁化方向とが反平行であり、磁性記録層Ａについては２つの磁性層Ａ１、Ａ２の磁化が平行配置である場合に、本発明の効果が得られる。

また、この構造においても、磁性固着構造Ｐ１、Ｐ２を構成する磁性層の総数を、Ｐ１とＰ２でそれぞれ偶数、奇数としている。このようにすると、最も外側に位置する２つの磁性層（磁性固着構造Ｐ１の一番上の磁性層ＦＭと、磁性固着構造Ｐ２の一番下の磁性層ＦＭ）の磁化方向が平行となる。これら両外側の磁性層ＦＭを図示しない反強磁性層により磁化固着する際に、固着すべき方向が同一であることから、形成プロセスが容易であるというメリットがある。

図２５も、２つの磁性固着構造とともに磁性記録層も積層構造とした具体例を表す模式断面図である。すなわち、磁性固着構造Ｐ１として、磁化が反平行に結合した磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性層Ｃ１からなる積層構造が設けられ、磁性固着構造Ｐ２として、磁化が反平行に結合した磁性層Ｃ２／非磁性層ＡＣ／磁性層ＦＭ／非磁性層ＡＣ／磁性層ＦＭからなる積層構造が設けられている。そしてさらに、磁性記録層Ａとして、磁性層Ａ１／磁性層Ａ２／磁性層Ａ３からなる積層構造が設けられている。この構造において、磁性固着構造Ｐ１を構成する磁性層のうち中間層Ｂ１に接した磁性固着層Ｃ１の磁化方向と、磁性固着構造Ｐ２を構成する磁性層のうち中間層Ｂ２に接した磁性固着層Ｃ２の磁化方向とが反平行であり、磁性記録層Ａについては３つの磁性層Ａ１〜Ａ３の磁化が平行である場合に、本発明の効果が得られる。

また、この構造においても、磁性固着構造Ｐ１、Ｐ２を構成する磁性層の総数を、Ｐ１とＰ２でそれぞれ偶数、奇数としている。このようにすると、最も外側に位置する２つの磁性層（磁性固着構造Ｐ１の一番上の磁性層ＦＭと、磁性固着構造Ｐ２の一番下の磁性層ＦＭ）の磁化方向が平行となる。これら両外側の磁性層ＦＭを図示しない反強磁性層により磁化固着する際に、固着すべき方向が同一であることから、形成プロセスが容易であるというメリットがある。

以上、具体例を参照しつつ説明したように、磁性固着構造Ｐ１、Ｐ２として磁性層が反強磁性結合した積層構造を採用することで、同じ厚さの単層膜を用いた場合に比べて、磁気記録層の磁化を反転させるための反転電流を小さくすることができる。さらに、反強磁性結合した積層構造を用いることにより、漏れ磁場を低減し、クロストークなどの問題を解消できる。

特に、基板から遠い磁性固着層は、横方向の寸法が微細加工により小さくなるため、磁極からの漏れ磁場が生じやすい。この漏れ磁場による磁気バイアスは、反転電流をシフトさせ、いずれかの方向において磁場バイアスがない場合に比べ反転電流が大きくなる。これに対して、反強磁性結合した積層膜による磁性固着構造を採用すれば、反転電流のシフトを防ぎ、いずれの方向についても反転電流を低く維持できる。

以上説明したように、本発明においては、小さな電流で磁性記録層の磁化制御が可能となり、さらにはその読み出しも可能となる。このため、後に詳述するように、本発明の磁気セルを複数個並べることによって、消費電力が小さく信頼性が高いプローブ・ストレージや固体メモリなどの磁気メモリを実現できる。

次に、本発明の磁気セルを構成する各要素について詳述する。

まず、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２と、磁性記録層Ａの材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、あるいはＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１―ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３などのハーフメタル磁性体酸化物（あるいはハーフメタル磁性体窒化物）のいずれかを用いることができる。

ここで「磁性半導体」としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかの磁性元素と、化合物半導体または酸化物半導体とからなるものを用いることができ、具体的には、例えば、（Ｇａ、Ｃｒ）Ｎ、（Ｇａ、Ｍｎ）Ｎ、ＭｎＡｓ、ＣｒＡｓ、（Ｇａ、Ｃｒ）Ａｓ、ＺｎＯ：Ｆｅ、（Ｍｇ、Ｆｅ）Ｏなどを挙げることができる。

本発明においては、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２、磁性記録層Ａの材料として、これらのうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。ただし、中間層Ｂ１を介した磁気抵抗効果と中間層Ｂ２を介した磁気抵抗効果が、いずれもノーマルタイプまたは、いずれもリバースタイプとなるように各層の材料を組合せることが望ましい。それらの組み合わせについては後述する。

また、これら磁性層に用いる材料としては、連続的な磁性体でもよく、あるいは非磁性マトリクス中に磁性体からなる微粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることもできる。このような複合体構造としては、例えば、「グラニュラー磁性体」などと称されるものを挙げることができる。

また一方、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の少なくともいずれかを、磁性層／非磁性層／磁性層、あるいは磁性層／非磁性層／磁性層／非磁性層／磁性層、あるいは磁性層／磁性層などのような多層膜とした場合には、中間層Ｂ１（またはＢ２）に直接に接する磁性層の磁化の向きが、磁性固着層Ｃ１とＣ２とで反平行となるようにすることが望ましい。

本発明者は、磁性固着層Ｃ１（またはＣ２）を、反強磁性結合した強磁性層／非磁性層／強磁性層の積層膜とした場合に、より小さい電流で磁性記録層Ａの磁化反転が図れることを見出した。これは、反強磁性結合を示す非磁性層のスピン依存散乱効果と反射効果によると考えられる。また、このような３層の積層膜を磁性固着層Ｃ１（またはＣ２）に用いることにより、磁場に対する特性シフトを防ぐことができる。

なお、図１５などに表した構造において、磁性固着層Ｃ２とともに非磁性層ＡＣを介した強磁性層ＦＭも固着されている。そこで、後述する実施例などにおいては、これら３層膜をまとめて「磁性固着層」と称する場合もある。

また一方、磁性記録層Ａの材料として、［（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉ）］からなる２層構造、あるいは［（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉ）／（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）］からなる３層構造の積層体を用いることもできる。これらの多層構造からなる磁性層の場合、外側のＣｏあるいはＣｏＦｅ合金の厚さは０．２ｎｍから１ｎｍの範囲であることが好ましい。この構造によれば、より小さな電流で磁化反転を得ることができる。

また、磁性記録層Ａを磁性体膜を積層させた多層膜として構成してもよい。この場合、この多層膜を構成するそれぞれの磁性体膜の磁化がすべて一方向に揃っていてもよく、または、磁性記録層Ａを構成する複数の磁性層のうちで２つの中間層Ｂ１、Ｂ２に直接に接する外側の２つの磁性層の磁化が平行であってもよい。２つの中間層Ｂ１、Ｂ２に直接に接する外側の２つの磁性層の磁化が互いに反平行である場合には、本発明の効果を得ることが困難である。
また、いずれの場合においても、磁性記録層Ａの磁化容易軸が磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化Ｍ１、Ｍ２の磁化軸と平行（または反平行）であると、磁性記録層Ａに対する磁化の書き込みに有利である。

一方、中間層Ｂ１、Ｂ２の材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金をはじめとし、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物、フッ化物からなる絶縁体を用いることができる。導電層の場合には、酸素等の異種元素が添加されていてもよい。また、異種元素が不連続な高電気抵抗薄膜を形成していてもよい。さらに、絶縁層の場合には磁性固着層ホールが形成され、そこに磁性層が進入していてもよい。

また、中間層Ｂ１、Ｂ２の材料としては、いずれもノーマル（normal）タイプの磁気抵抗効果が得られるもの、または、いずれもリバース（reverse）タイプの磁気抵抗効果が得られるものを用いることが望ましい。磁気抵抗効果がノーマルタイプとなるかリバースタイプとなるかは、中間層の材料とその両側の磁性層の材料の組合せに応じて決定される。

本発明においては、いずれか一方がノーマルタイプで他方がリバースタイプとなるものを用いることは望ましくない。ここで、前述したように、「ノーマルタイプ」とは、中間層の両側に設けられた磁性層の磁化方向が反平行の時に抵抗が大きくなるものをいう。また、「リバースタイプ」とは、中間層の両側に設けられた磁性層の磁化方向が反平行の時に抵抗が小さくなるものをいう。この理由は以下の如くである。

すなわち、リバースタイプの場合には、ノーマルタイプと逆向きのスピンが伝導に寄与する（トンネリングも含む）。このため、中間層の両側の磁性層の磁化が反平行時に抵抗が小さくなる。しかし、このように反平行の電子がトンネルに寄与すると、書き込み方向は、ノーマルタイプの場合とは逆になる。よって、磁性固着層Ｃ１（またはＣ２）から磁性記録層Ａに向けて電流を流すと、磁性記録層Ａの磁化は、磁性固着層Ｃ１（またはＣ２）の磁化に対して反平行となる。また、磁性記録層Ａから磁性固着層Ｃ１（またはＣ２）に向けて電流を流すと、磁性記録層Ａの磁化は磁性固着層Ｃ１（またはＣ２）の磁化に対して平行になる。このため、本発明においては、両側の磁性層との組合せで２つの中間層Ｂ１、Ｂ２のいずれか一方をノーマルタイプとし、いずれか他方をリバースタイプとしても効果が得られない。つまり、本発明においては、両端の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化を反平行配置とし、磁性層及び中間層の材料を適宜組み合わせることにより、中間層Ｂ１を介した磁気抵抗効果と中間層Ｂ２を介した磁気抵抗効果がいずれもノーマルタイプ、あるいはいずれもリバースタイプとなるように構成することが必要である。

なお、ノーマルタイプの磁気抵抗効果を得るための中間層Ｂ１、Ｂ２の材料としては、上述したように、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）およびこれらの化合物、アルミナ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化アルミニウム（Ａｌ−Ｎ）、酸化窒化シリコン（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）、銅（Ｃｕ）が中に詰められた穴付き絶縁体、磁性体材料が中に詰められた穴付き絶縁体などを挙げることができる。

中間層Ｂ１、Ｂ２の材料としてこれらの材料を用い、両側に配置される磁性固着層Ｃ１、Ｃ２、磁性記録層Ａの材料として、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ、またはＣｏＦｅやＮｉＦｅなどのこれらおよびＭｎ，Ｃｒのいずれかを含む合金、あるいはＣｏＦｅＢ、ホイスラー合金などのいわゆる金属系強磁性体を組み合わせることで、磁性固着層Ｃ１と磁性記録層Ａとの間、および磁性固着層Ｃ２と磁性記録層Ａとの間でノーマルタイプの磁気抵抗効果が得られる。

また、磁性層にＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１―ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３等の酸化物系の磁性体を用いる場合、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２と磁性記録層Ａが同一材料である場合には、ノーマルタイプの磁気抵抗効果が得られる。

なお、リバースタイプの磁気抵抗効果を得るための中間層Ｂ１、Ｂ２の材料としては、酸化タンタル（Ｔａ‐Ｏ）などを挙げることができる。つまり、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２および磁性記録層Ａの材料として、前記したいわゆる金属系強磁性体を用いた場合、酸化タンタルの中間層Ｂ１、Ｂ２と組み合わせることでリバースタイプタイプの磁気抵抗効果が得られる。

さらにリバースタイプの磁気抵抗効果が得られる磁性層／中間層／磁性層の組み合わせとしては、金属系磁性層／酸化物絶縁体中間層／酸化物系磁性層という組合せを挙げることができる。例えば、Ｃｏ／ＳｒＴｉＯ_３／Ｌａ_０．７Ｓｒ_０．３ＭｎＯ_３、Ｃｏ_９Ｆｅ／ＳｒＴｉＯ_３／Ｌａ_０．７Ｓｒ_０．３ＭｎＯ_３等を用いることができる。

また、リバースタイプの磁気抵抗効果が得られる磁性層／中間層／磁性層の組合せとして、Ｆｅ_３Ｏ_４／ＣｏＣｒ_２Ｏ_４／Ｌａ_０．７Ｓｒ_０．３ＭｎＯ_３等のマグネタイト／絶縁体中間層／ぺロブスカイト系酸化物磁性体からなる系を挙げることができる。

またさらに、リバースタイプの磁気抵抗効果が得られる磁性層／中間層／磁性層の組合せとして、ＣｒＯ_２／Ｃｒ酸化物絶縁体／Ｃｏが挙げることができる。

一方、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化を固着するための反強磁性層ＡＦの材料としては、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、パラジウム・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）、イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）、白金イリジウムマンガン（ＰｔＩｒＭｎ）などを用いることが望ましい。また、層間結合を使って固着させる際の非磁性層としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金が好ましい。

本発明の磁気セルにおける磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の厚さは、０．６ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とすることが好ましく、磁性記録層Ａの厚さは、０．２ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内とすることが好ましい。また、中間層Ｂ１、Ｂ２の厚さは、導体の場合には０．２ｎｍ〜２０ｎｍ、絶縁体を含む場合には０．２ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内とすることが望ましい。

本発明の磁気セルの平面形状としては、磁性記録層Ａの平面形状が、縦横比で１：１から１：５の範囲にあるような長方形、縦長（横長）６角形、楕円形、菱型、平行四辺形が好ましく、エッジドメインが形成されにくい一軸性の形状磁気異方性を生じやすい形状であることが望ましい。ただし、ドーナツ状セルの場合には、例外的に還流磁区が形成され易い方が好ましい。また、その磁性記録層Ａの寸法は、長手方向の一辺が５ｎｍから１０００ｎｍ程度の範囲内とすることが望ましい。
なお、図１などにおいて、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２と、磁性記録層Ａの膜面方向の寸法を同一として表したが、本発明はこれには限定されない。すなわち、配線の接続のため、あるいは磁化方向の制御のために、磁気セルの各層の寸法が互いに異なるように形成してもよい。また、形状が異なっていても良い。

以上に説明したように、本発明の磁気セルは、スピン偏極電流により小さい書き込み電流で磁性記録層Ａに磁化を書き込むことができる。さらには、磁気抵抗効果を用いて磁性記録層Ａの磁化を読み出すこともできる。しかも、その素子はサイズが小さいためにアレイ化あるいは集積化が容易である、という利点を有する。

本発明の磁気セルは、微小かつ磁化反転機能を有することから、各種用途に適用できる。次に、本発明の磁気セルを並べて記録再生装置に適応した具体例について説明する。

図２６は、本発明の磁気セルを用いた磁気メモリを表す模式図である。すなわち、本具体例は、本発明の磁気セルを、いわゆる「パターンド（patterned）媒体」に適用し、これにプローブでアクセスする、プローブストレージである。

記録媒体は、導電性基板１１０の上において、高抵抗の絶縁体１００の面内に、本発明の磁気セル１０がマトリクス状に配置された構造を有する。これら磁気セルの選択のために、媒体表面上にプローブ２００が設けられ、プローブ２００と媒体表面との相対的位置関係を制御するための駆動機構２１０、磁気セル１０にプローブ２００から電流または電圧を印加するための電源２２０、磁気セルの内部磁化状態を電気抵抗の変化として検出するための検出回路２３０が設けられている。

図２６に表した具体例においては、駆動機構２１０はプローブ２００に接続されているが、媒体とプローブとの相対位置が変化すればよいので、媒体側に設けてもよい。同図に表したように、本発明の磁気セル１０を複数個、導電性基板１１０の上に配列させてパターンド媒体とし、導電性プローブ２００と基板１１０との間に磁気セル１０を介して電流を流すことによって、記録再生を行なう。

また、図２６に表した具体例においては、各セル１０は、基板１１０において下側電極のみを共有しているが、図２７に表したように、各セル１０が、その一部の層を共有する構造としてもよい。このような構造にすれば、さらにプロセスの簡易化および特性の均質化が図れる。

磁気セル１０の選択は、導電性プローブ２００とパターンド媒体との相対的位置関係を変えることで行なう。導電性プローブ２００は、磁気セル１０に対して電気的に接続されればよく、接触していても、非接触してもよい。非接触の場合には、磁気セル１０とプローブ２００との間に流れるトンネル電流あるいは電界放射による電流を用いて記録再生を行なうことができる。

磁気セル１０への記録は、磁気セルにアクセスしたプローブ２００から磁気セル１０へ流れる電流、あるいは磁気セル１０からプローブ２００へ流れる電流により行われる。磁気セル１０のサイズ、構造、組成等により決定される磁化反転電流をＩｓとすると、Ｉｓよりも大きな書き込み電流Ｉｗをセルに流すことで記録が可能となる。その記録される磁化の方向は、電子電流を基準とした場合に、最初に通過する磁性固着層の磁化の方向と同一である。従って、電子の流れ、すなわち電流の極性を反転させることで、「０」または「１」の書き込みを適宜行なうことができる。

再生は、記録と同じく磁気セル１０へアクセスしたプローブ２００から流れる、あるいはプローブへ流れる電流によりなされる。ただし、再生時には、磁化反転電流Ｉｓよりも小さな再生電流Ｉｒを流す。そして、電圧あるいは抵抗を検出することで、磁性記録層Ａの記録状態を判定する。よって、本具体例の磁気メモリにおいては、Ｉｗ＞Ｉｒなる関係をもつ電流を流すことで記録再生が可能となる。

図２８は、本発明の磁気セルを用いた磁気メモリの第２の具体例を表す模式断面図である。

すなわち、本具体例の磁気メモリは、電極層（下部配線）１１０の上に複数の磁気セル１０が並列配置された構造を有する。それぞれの磁気セル１０は、絶縁体１００によって電気的に隔絶されている。それぞれの磁気セル１０には、一般にビット線、ワード線と呼ばれる配線１２０が接続されている。ビット線とワード線を指定することにより、特定の磁気セル１０を選択できる。

磁気セル１０への記録は、配線１２０から磁気セル１０へ流れる電流、あるいは磁気セル１０から配線１２０へ流れる電流によりなされる。磁気セル１０のサイズ、構造、組成等により決定される磁化反転電流をＩｓとすると、Ｉｓよりも大きな書き込み電流Ｉｗをセルに流すことで記録が可能となる。その記録される磁化の方向は、電子電流を基準として、最初に通過する磁性固着層の磁化の方向と同一である。従って、この場合も、電子の流れ、すなわち電流の極性を反転させることで、「０」、「１」の書き込みを行なうことができる。

再生は、記録と同じく磁気セル１０へアクセスした配線から流れる、あるいは配線へ流れる電流によりなされる。ただし、再生時にはＩｓよりも小さな再生電流Ｉｒを流す。そして電圧あるいは抵抗（電圧印加の場合には電流を）を検出することで、記録状態を判定する。よって、本具体例の磁気メモリにおいても、Ｉｗ＞Ｉｒなる関係をもつ電流を流すことで記録再生が可能となる。

以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。

（第１の実施例）
図２９（ａ）は、本実施例の磁気セルの要部断面構造を表す模式図であり、同図（ｂ）は、比較例の磁気セルの要部断面構造を表す模式図である。

すなわち、本実施例の磁気セル（サンプルＩ）は、電極ＥＬ１、磁性固着層Ｃ１、中間層Ｂ１、磁性記録層Ａ、中間層Ｂ２、磁性固着層Ｃ２、電極ＥＬ２が積層された構造を有する。また、比較例の磁気セル（サンプルＩＩ）は、電極ＥＬ１、磁性記録層Ａ、中間層Ｂ、磁性固着層Ｃ、電極ＥＬ２が積層された構造を有する。各層の材料と膜厚は以下の如くである。

サンプルＩ： ＥＬ１（Ｃｕ）／Ｃ１（Ｃｏ：２０ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：１０ｎｍ）／Ａ（Ｃｏ：３ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ：２０ｎｍ）／ＥＬ２（Ｃｕ）

サンプルＩＩ： ＥＬ１（Ｃｕ）／Ａ（Ｃｏ：３ｎｍ）／Ｂ（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ｃ（Ｃｏ：２０ｎｍ）／ＥＬ２（Ｃｕ）

これらの積層構造は、超高真空スパッタ装置によって下側の電極ＥＬ２の上に形成した。そして、さらにその上に、図示しないタンタル（Ｔａ）保護膜を形成してから、レジストを塗布しＥＢ（electron beam）露光してマスクを形成したのち、イオンミリングで加工した。セルの加工サイズは１００ｎｍ×５０ｎｍである。

得られたサンプルについて、膜面に対して垂直方向に流す電流量に対する抵抗の変化から磁性記録層Ａの磁化反転電流値を求めた。その結果、正負反転電流の平均値は、サンプルＩで１．４ｍＡ、サンプルＩＩで３．１ｍＡであった。また、サンプルＩＩでは、正負電流に対する非対称性が見られていたが、サンプルＩでは、この非対称性が解消した。

つまり、磁化が反平行の２層の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２を設けることにより、記録層Ａの磁化反転電流が低下するとともに、書き込み電流の対称性の改善が見られた。書き込み電流の対称性の向上は、磁化方向が反平行の反強磁性配置の固着層Ｃ１、Ｃ２を設けることにより、磁気セルが磁気的により安定になったためと考えられる。

（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例として、図１５に表した構造の磁気セルの実施例について説明する。なお、本実施例においては、図１５の上下を逆さにした積層構造の磁気セルを試作した。

まず、超高真空スパッタ装置を用いて、ウェーハ上にタンタル（Ｔａ）と銅（Ｃｕ）からなる下側電極ＥＬ１を形成したのち、その上にＰｔＭｎ２０ｎｍ（反強磁性層ＡＦ１）、ＣｏＦｅ５ｎｍ（磁性層ＦＭ）、Ｒｕ１ｎｍ（非磁性層ＡＣ）、ＣｏＦｅ２ｎｍ（磁性固着層Ｃ１）、Ｃｕ３ｎｍ（中間層Ｂ１）、ＣｏＦｅ２ｎｍ（磁性記録層Ａ）、Ｃｕ３ｎｍ（中間層Ｂ２）、ＣｏＦｅ４ｎｍ（磁性固着層Ｃ２）、ＰｔＭｎ２０ｎｍ（反強磁性層ＡＦ２）を形成した。さらに、この上に、銅（Ｃｕ）とタンタル（Ｔａ）からなる積層膜を形成した。

このウェーハを磁場中真空炉にて、２７０℃で１０時間、磁場中アニールして、一方向異方性を付与した。この時点でウェーハの一枚を取り出し、振動試料型磁束計（ＶＳＭ）により磁化の印加磁場依存性のヒステリシスループ測定を行い、Ｃ１とＣ２の反平行磁化固着を確認した。この膜に対し、ＥＢレジストを塗布してＥＢ露光したのち、リフトオフで所定の形状のマスクを形成した。次に、イオンミリング装置によりマスクに被覆されない領域をエッチングした。ここで、エッチング量の把握は、スパッタされた粒子を作動排気による四重極分析器に導入して質量分析することで、正確に把握することができる。

エッチング後、マスクを剥離し、さらにＳｉＯ_２を成膜し、表面をイオンミリングにより平滑化し、タンタル（Ｔａ）面を露出させる「頭だし」の工程を行なった。このタンタル面の上に、上側の電極を形成した。このようにして図６相当の素子を作成した。

以上説明したプロセスにより、磁性記録層Ａの上下に配置された磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化の方向を反平行に固着することができる。

（第３の実施例）
第２実施例と同様のプロセスを用い、図１６に表した構造の磁気セルを試作した。但し、本実施例においても、図１６の上下を逆さにした積層構造の磁気セルを試作した。各層の材料と膜厚は、以下の如くである。

ＡＦ１（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／ＦＭ１（ＣｏＦｅ：５ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／Ｃ１（ＣｏＦｅ：２ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：３ｎｍ）／Ａ（ＣｏＦｅ：２ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：３ｎｍ）／Ｃ２（ＣｏＦｅ：２ｎｍ）／ＦＣ（Ｃｕ：５ｎｍ）／ＦＭ２（ＣｏＦｅ：５ｎｍ）／ＡＦ２（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）

この構造においても、第２実施例に関して前述したものと同様のプロセスによって、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化の方向を反平行に固着することができた。

（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施例として、２つの中間層Ｂ１、Ｂ２に非対称性を付与して磁気抵抗効果の検出が容易となるようなサンプル群（サンプルＩＩからサンプルＶ）を作製し、中間層が対称なサンプル（サンプルＩ）とともにその電流駆動磁化反転に伴う抵抗変化率を評価し、比較検討した。各サンプルの磁気セル中心部の構成は以下の如くである。

サンプルＩ： Ｃ１（ＣｏＦｅ：１０ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：８ｎｍ）／Ａ（ＣｏＦｅ：３ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：８ｎｍ）／Ｃ２（ＣｏＦｅ：１０ｎｍ）

サンプルＩＩ： Ｃ１（ＣｏＦｅ：１０ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：８ｎｍ）／Ａ（ＣｏＦｅ：３ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：４ｎｍ）／Ｃ２（ＣｏＦｅ：１０ｎｍ）

サンプルＩＩＩ： Ｃ１（ＣｏＦｅ：１０ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：８ｎｍ）／Ａ（ＣｏＦｅ：３ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：２ｎｍ）／ＩＥ（Ａｌ−Ｃｕ−Ｏ：０．６ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：２ｎｍ）／Ｃ２（ＣｏＦｅ：１０ｎｍ）

サンプルＩＶ： Ｃ１（ＣｏＦｅ：１０ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：８ｎｍ）／Ａ（ＣｏＦｅ：３ｎｍ）／Ｂ２（Ａｌ_２Ｏ_３−ＣｏＦｅ：３ｎｍ）／Ｃ２（ＣｏＦｅ：１０ｎｍ）

サンプルＶ： Ｃ１（ＣｏＦｅ：２０ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：８ｎｍ）／Ａ（ＣｏＦｅ：３ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：８ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ：２ｎｍ）

ここでサンプルＩは中間層Ｂ１、Ｂ２が対称なもの、サンプルＩＩは中間層Ｂ１、Ｂ２の膜厚が非対称性されたもの（図９（ａ））、サンプルＩＩＩは片方の中間層Ｂ２に極薄の酸化物層（ＩＥ）が添加されたもの（図１０）、サンプルＩＶは片方の中間層Ｂ２がアルミナとＣｏＦｅの同時蒸着によりアルミナ中にＣｏＦｅを析出させて磁性体の微小接点を形成したもの（図１１）、サンプルＶは磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の厚さと組成に非対称性を有するもの（図８）である。

なお、サンプルＩＶでは、接点部の格子整合をとるためのアニールを行った。また、それぞれのサンプルの下側にはＰｔＭｎ層／ＣｏＦｅ層／Ｒｕ層を設け、上側にはＰｔＭｎ層を設けて、第２実施例と同様の方法で２つの固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化を反平行に固着した。

得られたサンプルに対して、電流をスイープさせ、磁性記録層Ａの磁化反転に伴う抵抗変化を求めた。その結果は、以下の如くである。

サンプル番号 抵抗変化率
サンプルＩ ＜０．１％
サンプルＩＩ ０．４％
サンプルＩＩＩ ５．０％
サンプルＩＶ ２０％
サンプルＶ ０．６％

この結果から、非対称性を持たせると検出効率が高くなり、特に中間層Ｂ１、Ｂ２に非対称性を付与した場合に信号検出感度が高くなることが分かった。

（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例として、第４実施例のサンプルＩＶと同様の構造をもつ磁気セルを、図２６に表したように基板上に並べ、３２×３２のマトリックスを形成した。このマトリックスをさらに３２×３２並べ、合計で１Ｍ（メガ）ビットの記録再生媒体を形成した。そして、この記録再生媒体に対して、３２個×３２個からなるプローブで記録再生を行う磁気メモリを製作した。すなわち、本実施例の磁気メモリにおいては、マトリックス１セットに対してプローブ１個を対応させた。

プロービングは、図３０に表した如くである。それぞれのプローブ２００に対するセルの選択は、媒体に設けられたＸＹ駆動機構により行なった。ただし、位置関係が相対的に変化するならばプローブ２００に設けられた駆動機構２１０でセル選択を行なってもよい。また、プローブ２００がマルチ化されているため、各プローブはいわゆるワード線ＷＬとビット線ＢＬに繋ぎ、ワード線ＷＬとビット線ＢＬを指定することで、プローブ２００の選択を可能とした。

磁気セル１０への記録再生は、磁気セルにアクセスしたプローブ２００から注入される電流により行った。ここでは プラス１．２ｍＡとマイナス１．２ｍＡの電流を流すことで、それぞれ「０」、「１」信号を書き込み、再生は０．５ｍＡ以下の電流を流した場合のセル電圧を読み込み、その大小関係を「０」、「１」にアサインした。また、比較のため、プラス０．５ｍＡとマイナス０．５ｍＡの書き込み電流での書き込みを行い、再生電流０．４ｍＡ以下で読み込みを行なった。その結果、書き込み電流をプラス１．２ｍＡとマイナス１．２ｍＡとした場合には書き込めたが、プラス０．５ｍＡとマイナス０．５ｍＡでは書き込めないことを確認した。

（第６の実施例）
次に本発明の第６の実施例として、第４の実施例のサンプルＩＩＩと同様の構造をもつ磁気セルを用いて磁気メモリを作製した実施例について説明する。

まず、ウェーハ上に、予め下側ビット線とトランジスタを形成し、この上に、第２実施例に関して前述したプロセスと同等の方法を用いて磁気セルアレイを形成した。さらに、その上にワード線を形成し、磁気セルの電極がビット線とワード線に接続される図３１に表した構造の磁気メモリを形成した。

磁気セル１０の選択は、磁気セルに繋がったワード線ＷＬとビット線ＢＬを指定することで可能となる。すなわち、ビット線ＢＬを指定することでトランジスタＴＲをオン（ＯＮ）にし、ワード線ＷＬと電極に挟まれた磁気セル１０へ電流を流す。このとき、磁気セルのサイズ、構造、組成等により決定される磁化反転電流をＩｓとすると、Ｉｓよりも大きな書き込み電流Ｉｗをセルに流すことで記録が可能となる。ここで作製した磁気セルは、Ｉｓの平均値が１．８ｍＡであったので、書き込み電流にはこれを越える電流をもつ正負の極性をもつ電流で書き込みが可能となる。また読み込み電流は、１．８ｍＡを超えてはならない。

なお第５実施例及び第６実施例では、プローブあるいはセル選択にトランジスタＴＲを用いたが、他のスイッチング素子を用いてもよい。できれば、オン時の抵抗が低抵抗のものが好ましい。また、ダイオードを用いてもよい。

（第７の実施例）
次に、本発明の第７の実施例として、第１実施例と同様の作製方法により、第１実施例におけるサンプルＩの磁性記録層Ａの構造を変形させた次のサンプルを作製した。

ＥＬ１（Ｃｕ）／Ｃ１（Ｃｏ：２０ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：１０ｎｍ）／Ａ（Ｃｏ：０．６ｎｍ）／Ａ（Ｎｉ：１．８ｎｍ ）／Ａ（Ｃｏ：０．６ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ：２０ｎｍ）／ＥＬ２（Ｃｕ）

すなわち、磁性記録層Ａとして、Ｃｏ（０．６ｎｍ）／Ｎｉ（１．８ｎｍ ）／Ｃｏ（０．６ｎｍ）という積層構造を採用した。このサンプルの磁化反転特性を評価したところ、反転電流は１．１ｍＡであり、第１実施例のサンプルＩよりもさらに反転電流が低減した。これは磁性記録層Ａの磁気的エネルギーが下がったためであると考えられる。

（第８の実施例）
次に、本発明の第８の実施例として、図１５に表した構造の磁気セルを作成した。まず、本実施例において作成した２種類の磁気セル（サンプルＡ１０、サンプルＢ１０）について説明する。

サンプルＡ１０は、図示しない下側電極の上に、反強磁性層ＡＦ２としてＰｔＭｎ（２０ｎｍ）を形成し、この上に、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（４ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）が積層され、その上に反強磁性層ＡＦ１としてＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、さらに図示しない上側電極が形成された構造からなる「反平行デュアルピン構造」を有する。この構造において、２つの中間層Ｂ１、Ｂ２を介した磁気抵抗効果（ＭＲ）は、それぞれノーマルタイプのＭＲを示す。エレメントサイズとして６０ｎｍ×１１０ｎｍ、８０ｎｍ×１６５ｎｍ、１１０ｎｍ×２４０ｎｍの３通りを作製した。

一方、サンプルＢ１０は、図示しない下側電極の上に、反強磁性層ＡＦ２としてＰｔＭｎ（２０ｎｍ）を形成し、この上に、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１０ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）が積層され、その上に、反強磁性層ＡＦ１としてＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、さらに図示しない上側電極が形成された構造を有する。

サンプルＢ１０の構造においては、２つの中間層Ｂ１、Ｂ２の材質が異なるが、これらの中間層Ｂ１、Ｂ２を介したＭＲは、ともにノーマルタイプのＭＲを示すことは事前に確認した。エレメントサイズは、サンプルＡ１０と同様の３通りとした。

サンプルＡ１０は、次のように作製した。
まず、ウェーハ上に下側電極を形成したのち、そのウェーハを超高真空スパッタ装置へ導入し、表面をスパッタクリーニングした後、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）／Ｃｕ（４ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／ Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１ （４ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）という多層膜を堆積して、装置から取り出した。

次に、ウェーハを真空磁場炉へ入れ、２７０℃で１０時間、磁場中アニールを行い、固着層Ｃ１、Ｃ２に交換バイアスを付与した。次に、レジストを塗布してＥＢ（電子ビーム）描画装置にて電子ビーム露光した後、上述したエレメントサイズに対応したマスクパターンを形成した。このパターンに対してイオンミリング装置により磁性固着層Ｃ２の上部までミリングしてエレメントを形成した。

エレメント形状は、エレメントの長手軸方向が磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の交換バイアス方向に平行となるように設定した。そしてこのエレメントの周りにＳｉＯ_２を埋めこみ、上側電極を形成して磁気セルを完成した。

サンプルＢ１０は、次のように作製した。
まず、ウェーハ上に下側電極を形成したのち、そのウェーハを超高真空スパッタ装置へ導入し、まずＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１０ｎｍ）／Ａｌからなる多層膜を堆積させた。次に、スパッタ装置に酸素を導入してアルミニウム（Ａｌ）を酸化させてＡｌ_２Ｏ_３を形成した。なおここで、Ａｌ_２Ｏ_３ではなく、酸素が若干欠損した組成の酸化アルミニウムが形成される場合もある。これは、本願明細書において説明する他の実施例につていも同様である。

このＡｌ_２Ｏ_３の上に、さらに、Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）からなる多層膜を堆積し、装置から取り出した。

次に、レジストを塗布してＥＢ描画装置にて電子ビーム露光した後、上述したエレメントサイズに対応したマスクパターンを形成した。その後、イオンミリング装置によりＡｌ_２Ｏ_３の上部までミリングしてエレメントを形成した。エレメントは、その長手軸方向が磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の交換バイアス方向に対して平行となるように形成した。そして、エレメントの周りにＳｉＯ_２を埋めこみ、上側電極を形成して磁気セルを完成した。

さらに、比較のためサンプルＣ１０、サンプルＤ１０、サンプルＥ１０、サンプルＦ１０を作製した。これらの構造は、以下の如くである。

サンプルＣ１０は、下側電極の上に、反強磁性層ＡＦ２としてＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１０ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＴａＯ１．４（１ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、反強磁性層ＡＦとしてＰｔＭｎ（１５ｎｍ）がこの順に積層され、さらに上側電極が形成された構造を有する。この構造において、中間層Ｂ２のＴａＯ１．４はリバースタイプのＭＲを示し、中間層Ｂ１のＣｕはノーマルタイプのＭＲを示すことを予め事前に確認した。このため、この構造は本発明の磁気セルとしては不適当であった。

サンプルＤ１０は、下側電極の上に、反強磁性層としてＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）、中間層としてＣｕ（４ｎｍ）、磁性記録層としてＣｏ_９Ｆｅ_１ （２．５ｎｍ）、上側電極がこの順に積層されたシングルピン（single pin）構造を有する。

サンプルＥ１０は、下側電極の上に、反強磁性層としてＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）、中間層としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ ｎｍ）、磁性記録層としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、上側電極がこの順に積層されたシングルピン構造を有する。

サンプルＦ１０は、下側電極の上に、磁性記録層としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層としてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、反強磁性層としてＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極がこの順に積層された構造を有する。

サイズ６０ｎｍ×１１０ｎｍのサンプルＡ１０およびサイズ６０ｎｍ×１１０ｎｍのサンプルＢ１０について、上側電極と下側電極との間に電流をプラスマイナス１０ｍＡまで流して、微分抵抗の電流依存性を測定した。

図３２は、サンプルＡ１０の微分抵抗を表すグラフ図である。
図３３は、サンプルＢ１０の微分抵抗を表すグラフ図である。

電流の極性は、電子の流れが磁性固着層Ｃ２から磁性固着層Ｃ１へ流れるときに電流がプラスとなるように定義した。サンプルＡ１０の場合（図３２）は、下に凸の曲線が得られ、サンプルＢ１０（図３３）の場合は、上に凸の曲線が得られた。そして、サンプルＡ１０の場合もサンプルＢ１０の場合も、高抵抗状態と低抵抗状態とが電流の変化により出現している。この結果から、磁気セルに流す電流の極性によって磁性記録層Ａの磁化が反転し、信号の書き込みができていることが分かる。

図３４は、図３２及び図３３におけるバックグラウンドの曲線成分を除去し、さらに低抵抗状態の微分抵抗によって規格化した微分抵抗変化を表すグラフ図である。図３４には、同じサイズのサンプルＤ１０、Ｅ１０、Ｆ１０の結果を併せて表した。同図から、サンプルＡ１０及びＢ１０は、他のサンプルに比べて磁化反転のための電流が非常に小さいことが分かる。なお、サンプルＣ１０については、プラスマイナス１０ｍＡの電流で磁化の反転が観察されなかった。つまり、サンプルＣ１０の磁化反転電流は、１０ｍＡより大きいことが分かった。

以上の結果から、サンプルＡ１０、Ｂ１０は、サンプルＣ１０、Ｄ１０、Ｅ１０、Ｆ１０に比べて、磁化反転のための臨界電流（Ｉｃ）が低く、低電流で書込みが可能であることがわかる。

図３５は、磁化反転臨界電流Ｉｃの平均値とセルサイズとの関係を表すグラフ図である。ここで、臨界電流Ｉｃの平均値は、図３２において高抵抗状態から低抵抗状態へ記録する場合の臨界電流Ｉｃ＋と、低抵抗状態から高抵抗状態へ記録する場合の臨界電流Ｉｃ−とを平均した値である。

いずれのサンプルにおいても、臨界電流Ｉｃは、セルのサイズに対してほぼ比例関係にある。そして、サンプルＡ１０、Ｂ１０は、サンプルＤ１０、Ｅ１０、Ｆ１０に比べて、低い電流密度で記録が可能であることが分かる。

以上説明した結果から、図１５に表した構造によれば、低消費電力で書込みが可能であることが確認できた。

なお、サンプルＢ１０の中間層Ｂ２に、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、ホールが形成されそのホールに磁性体あるいは導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合にも、上記と同様の傾向が得られることを確認した。

（第９の実施例）
次に、本発明の第９の実施例として、図１９及び図２０に表した構造の磁気セル（サンプルＡ２０、Ｂ２０）を作成した。

サンプルＡ２０（図１９）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性層Ａ３としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層Ａ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層Ａ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１ （１ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）が積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）と上側電極が形成された構造を有する。つまり、サンプルＡ２０は、反平行デュアルピン構造を有する。エレメントサイズとして６０ｎｍ×１１０ｎｍ、８０ｎｍ×１６５ｎｍ、１１０ｎｍ×２４０ｎｍの３通りを作製した。

一方、サンプルＢ２０（図２０）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（４ｎｍ）、磁性層Ａ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１．２５ｎｍ）、非磁性層ＦＣとしてＣｕ（０．３ｎｍ）、磁性層Ａ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１．２５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１ （４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）が積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）と上側電極が形成された構造を有する。すなわち、サンプルＢ２０も、反平行デュアルピン構造を有する。Ｂ２０のエレメントサイズは、サンプルＡ２０と同様にした。

サンプルＡ２０は、次のように作製した。
まず、ウェーハ上に下側電極を形成したのち、そのウェーハを超高真空スパッタ装置へ導入し、まずＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）／Ａｌを堆積した。次に、スパッタ装置内で酸素プラズマを発生させてＡｌを酸化させてＡｌ_２Ｏ_３を形成した。このＡｌ_２Ｏ_３の上に、さらにＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ （１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）多層膜を積層し、装置から取り出した。

次に、レジストを塗布してＥＢ描画装置にて電子ビーム露光した後、上述のエレメントサイズに対応したマスクパターンを形成した。次に、イオンミリング装置によりＡｌ_２Ｏ_３の上部までミリングしてエレメントを形成した。エレメントは、その長手軸方向が磁性固着層の交換バイアス方向に対して平行となるように形成した。次に、エレメントの周りにＳｉＯ_２を埋めこみ、上側電極を形成して磁気セルを完成した。

サンプルＢ２０はサンプルＡ２０と同様の方法で作製した。
また、比較のためサンプルＣ２０、Ｄ２０、Ｅ２０を作製した。
図３６は、サンプルＣ２０の断面構造を表す模式図である。
サンプルＣ２０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性層Ａ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層Ａ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ （１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）がこの順に積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）と上側電極が形成された構造を有する。

つまり、サンプルＣ２０は、反平行デュアルピン構造を有するが、２つの中間層Ｂ１、Ｂ２に接した磁性層Ａ１及び磁性層Ａ２の磁化は互いに反平行であり、本発明の磁気セルとしては不適当である。

サンプルＤ２０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．７ｎｍ）、磁性層Ａ３としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層Ａ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層Ａ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）が積層され、その上に上側電極が形成された構造を有する。すなわち、サンプルＤ２０は、シングルピン構造を有する。

サンプルＥ２０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（４ｎｍ）、磁性層Ａ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１ （１．２５ｎｍ）、非磁性層ＦＣとしてＣｕ（０．３ｎｍ）、磁性層Ａ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１．２５ｎｍ）が積層され、その上に上側電極が形成された、シングルピン構造を有する。

図３７は、サイズ６０ｎｍ×１１０ｎｍのサンプルＡ２０、Ｂ２０、Ｄ２０、Ｅ２０について、微分抵抗変化の電流依存性を表すグラフ図である。同図から、本発明のサンプルＡ２０、Ｂ２０は、比較例のサンプルＤ２０、Ｅ２０よりも磁化反転の電流が小さいことが分かる。なおサンプルＣ２０は、磁性層Ａ１、Ａ２の磁化が反転する前にセルが電気的に破壊したため、磁化反転は観察されなかった。

以上の結果から、サンプルＡ２０、Ｂ２０は、サンプルＣ２０、Ｄ２０、Ｅ２０に比べて、磁化反転のための臨界電流Ｉｃが低く、低電流で書込みが可能であることがわかる。

図３８は、臨界電流Ｉｃの平均値と、セルサイズとの関係を表すグラフ図である。いずれの素子も面積に対してほぼ比例関係にあり、サンプルＡ２０とＢ２０は、サンプルＤ２０及びＥ２０に比べて、低電流密度で記録が可能であることが分かる。

以上の結果から、図１９及び図２０に表した構造は、低消費電力で書込みが可能な磁気セルに適していることが確認できた。

なお、サンプルＡ２０とサンプルＢ２０の中間層Ｂ２として、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、孔が形成されその孔に磁性体あるいは導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合にも、上記と同様の傾向が得られることを見出した。

（第１０の実施例）
次に、本発明の第１０の実施例として、図２２に表した構造の磁気セル（サンプルＡ３０、Ｂ３０）を作成した。

サンプルＡ３０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（３ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）が積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）とに上側電極が形成された構造を有する。つまり、サンプルＡ３０は、反平行デュアルピン構造を有する。エレメントサイズとして６０ｎｍ×１１０ｎｍ、８０ｎｍ×１６５ｎｍ、１１０ｎｍ×２４０ｎｍの３通りを作製した。

一方、サンプルＢ３０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、非磁性層ＡＣとしてＲｕ（１ｎｍ）、磁性層ＦＭとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）がこの順に積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）と上側電極が形成された構造を有する。つまり、サンプルＢ３０も反平行デュアルピン構造を有する。サンプルＢ３０のエレメントサイズは、サンプルＡ３０と同様とした。サンプルＢ３０の場合、２つの中間層Ｂ１、Ｂ２の材質は異なるが、いずれの場合も中間層を介したＭＲはそれぞれノーマルタイプのＭＲを示す。

サンプルＡ３０は、次のように作製した。
まず、下側電極の上にＳｉＯ_２層とＴａ層をこの順に成長させた。その上にレジストを塗布してＥＢ描画装置にてマスクパターンを描画した。次に、このパターン部のレジストを取り除き、イオンミリングでＴａ層にエレメントサイズに対応した穴を開けた。さらに、反応性イオンエッチングにてＴａ層の下にあるＳｉＯ_２層へエレメントサイズよりも僅かに大きな面積をもつ穴をあけて、下側電極の表面を露出させた。

このウェーハを超高真空スパッタ装置へ導入したのち、真空排気して、エッチングにより表面クリーニングしたのち、Ｒｕ／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｃｕ（３ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）をこの順に成長させた。さらに、その上に上側電極を形成した。このウェーハを真空磁場炉へ入れ、２７０℃にて１２時間、磁場中アニールして、磁性固着層に交換バイアスを導入した。その際、交換バイアスの方向は、エレメントの長手方向に対して平行にした。

サンプルＢ３０は、次のように作製した。
まず、下側電極の上にＳｉＯ_２層およびＴａ層をこの順に成長させた。その上にレジストを塗布してＥＢ描画装置にてマスクパターンを描画した。次に、このパターン部のレジストを抜き、イオンミリングでＴａ層にエレメントサイズに対応した穴を開けた。さらに、反応性イオンエッチングにてＴａ層の下にあるＳｉＯ_２層にエレメントサイズよりも僅かに大きな面積をもつ穴をあけて、下側電極の表面を露出させた。

このウェーハを超高真空スパッタ装置へ導入し、真空排気して、表面エッチングにより表面クリーニングしたのち、Ｒｕ／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）／Ａｌを成長させた。この段階でチャンバー内に酸素を導入してアルミを酸化させたのち、再び超高真空まで排気して、残りのＣｏ_９Ｆｅ_１ （４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／ Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）をこの順に堆積した。さらに上側電極を形成した。このウェーハを真空磁場炉へ入れ、２７０℃にて１２時間、磁場中アニールして、磁性固着層に交換バイアスを導入した。その際、交換バイアスの方向は、エレメントの長手方向に対して平行にした。

さらに、比較のためサンプルＣ３０、サンプルＤ３０、サンプルＥ３０を作製した。

サンプルＣ３０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、さらに、中間層Ｂ１としてＴａＯ（１ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）がこの順に積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極が積層された構造を有する。この構造は、反平行デュアルピン構造である。しかしながら、中間層Ｂ２のＣｕは、ノーマルタイプのＭＲを示すのに対して、中間層Ｂ１のＴａＯはリバースタイプのＭＲを示すので、本発明に適合しない比較サンプルである。

サンプルＤ３０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層としてＣｕ（３ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、その上に上側電極を有するシングルピン構造からなる。

サンプルＥ３０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、この上に上側電極を有するシングルピン構造からなる。

図３９は、サンプルＡ３０、Ｂ３０、Ｄ３０、Ｅ３０について、微分抵抗変化と電流との関係を表すグラフ図である。ここでサンプルのサイズは、６０ｎｍ×１１０ｎｍである。なお、サンプルＣ３０は、磁性記録層Ａの磁化が反転する前に磁気セルが電気的に破壊したため、磁化反転は観察されなかった。

以上の結果から、サンプルＡ３０、Ｂ３０は、サンプルＣ３０、Ｄ３０、Ｅ３０に比べて、磁化反転のための臨界電流Ｉｃが低く、低電流で書込みが可能であることがわかる。

図４０は、臨界電流Ｉｃの平均値とセルサイズとの関係を表すグラフ図である。いずれのサンプルにおいても、臨界電流Ｉｃはセルの面積に対してほぼ比例関係にあり、サンプルＡ３０、Ｂ３０は、サンプルＤ３０、Ｅ３０に比べて、低電流密度で記録が可能であることが分かる。

以上説明したように、図２２に表した構造は、低消費電力で書込みが可能な磁気セルに適していることが確認された。

なお、サンプルＡ３０の中間層Ｂ１として、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、孔が形成されその孔に磁性体あるいは導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合にも、上記と同様の傾向が得られることを見出した。

（第１１の実施例）
次に、本発明の第１１実施例として、図２３及び図２４に表した構造の磁気セル（サンプルＡ４０、Ｂ４０）を作成した。
サンプルＡ４０（図２３）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１ （４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（５ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ） ／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（１０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極がこの順に形成された構造を有する。すなわち、サンプルＡ４０は、反平行デュアルピン構造を有する。エレメントサイズとしては、６０ｎｍ×１１０ｎｍ、８０ｎｍ×１６５ｎｍ、１１０ｎｍ×２４０ｎｍの３通りを作製した。

一方、サンプルＢ４０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（１．２５ｎｍ）／Ｃｕ（０．３ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１．２５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極がこの順に形成された構造を有する。すなわち、サンプルＢ４０も、反平行デュアルピン構造を有する。この構造において、２つの中間層Ｂ１、Ｂ２の材質は異なるが、これらいずれの場合も、中間層を介したＭＲはそれぞれノーマルタイプのＭＲを示す。エレメントサイズはＡ４０と同様とした。

サンプルＡ４０は、前述したＡ１０と同様の方法で作製した。また、サンプルＢ４０は、前述したサンプルＢ１０と同様の方法で作製した。

さらに、比較のためサンプルＣ４０、Ｄ４０、Ｅ４０を作製した。
サンプルＣ４０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（５ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）、さらに中間層Ｂ１としてＣｕ（１０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極がこの順に形成された構造を有する。この構造は、反平行デュアルピン構造であるが、２つの中間層Ｂ１、Ｂ２に接した磁性記録層Ａを構成する磁性層の磁化は互いに反平行であり、本発明のものと異なる。

サンプルＤ４０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ （１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１ｎｍ）が積層され、その上に上側電極が形成された、シングルピン構造を有する。

サンプルＥ４０は、下側電極の上にＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層としてＡｌ_２Ｏ_３（０．７ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（１．２５ｎｍ）／Ｃｕ（０．３ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１．２５ｎｍ）、上側電極が形成された、シングルピン構造を有する。

図４１は、サンプルＡ４０、Ｂ４０、Ｄ４０、Ｅ４０について、微分抵抗変化と電流との関係を表すグラフ図である。ここで、セルのサイズは、６０ｎｍ×１１０ｎｍである。図４１から、サンプルＡ４０、Ｂ４０の磁化が反転する電流は、サンプルＤ４０、Ｅ４０に比べて非常に小さいことが分かる。なおサンプルＣ４０については、磁性記録層Ａの磁化が反転する前にセルが電気的に破壊したため、磁化反転は観察されなかった。

以上の結果から、サンプルＡ４０、Ｂ４０は、サンプルＣ４０、Ｄ４０、Ｅ４０に比べて、 磁化反転のための臨界電流Ｉｃが低く、低電流で書込みが可能であることがわかる。

図４２は、臨界電流Ｉｃの平均値とセルサイズとの関係を表すグラフ図である。いずれのサンプルでも、臨界電流Ｉｃはセルサイズに対してほぼ比例関係にあることが分かる。また、サンプルＡ４０、Ｂ４０は、サンプルＤ４０、Ｅ４０に比べて、低電流密度で記録が可能であることが分かる。

以上説明したように、図２３及び図２４に表した構造は、低消費電力で書込みが可能な磁気セルに適していることが確認できた。

なお、サンプルＡ４０およびサンプルＢ４０の中間層Ｂ２の材料として、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、孔が形成されその孔に磁性体あるいは導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合にも、上記と同様の傾向が得られることを見出した。

（第１２の実施例）
次に、本発明の第１２実施例として、図２１及び図２５に表した構造の磁気セル（サンプルＡ５０、Ｂ５０）を作成した。
サンプルＡ５０（図２１）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）／ＮｉＦｅ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＡｌ_２Ｏ_３（１．０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極が形成された構造を有する。すなわち、サンプルＡ５０も、反平行デュアルピン構造を有する。
エレメントサイズとしては、６０ｎｍ×１１０ｎｍ、８０ｎｍ×１６５ｎｍ、１１０ｎｍ×２４０ｎｍの３通りを作製した。

一方、サンプルＢ５０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）／ＮｉＦｅ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（９ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極がこの順に形成された構造を有する。すなわち、サンプルＢ５０も反平行デュアルピン構造を有する。エレメントサイズはＡ５０と同様とした。
なお、サンプルＡ５０においては、２つの中間層Ｂ１、Ｂ２の材質は異なるが、これらの中間層を介したＭＲは、それぞれノーマルタイプのＭＲを示す。

サンプルＡ５０は、次のように作製した。
まず、下側電極の上にＳｉＯ_２層とＴａ層をこの順に成長させた。その上にレジストを塗布してＥＢ描画装置にてマスクパターンを描画した。次に、このパターン部のレジストを取り除き、イオンミリングでＴａ層にエレメントサイズに対応した穴を開けた。さらに、反応性イオンエッチングにてＴａ層の下にあるＳｉＯ_２層に、エレメントサイズよりも僅かに大きな面積をもつ穴をあけ、下側電極表面を露出させた。

次に、このウェーハを超高真空スパッタ装置へ導入したのち、真空排気して、表面エッチングにより表面クリーニングし、Ｒｕ／ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２０ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）／ＮｉＦｅ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）／Ａｌを順次成長させた。次に、この状態で、チャンバー内に酸素を導入して表面のアルミを酸化させ、その後再び超高真空まで排気して、残りのＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）を堆積し、さらに上側電極を形成した。

次に、このウェーハを真空磁場炉へ入れ、２７０℃にて１２時間磁場中アニールして、磁性固着層へ交換バイアスを導入した。その際、交換バイアスの方向は、エレメントの長手方向に対して平行にした。
サンプルＢ５０は、Ａ１０と同様の方法で作製した。

比較のために、サンプルＣ５０とＤ５０を作製した。
サンプルＣ５０は、下側電極の上に、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１２ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）／ＮｉＦｅ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極がこの順に形成されたシングルピン構造を有する。

サンプルＤ５０は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）／ＮｉＦｅ（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（０．８ｎｍ）が積層され、その上に上側電極が形成された、シングルピン構造を有する。

図４３は、サンプルＡ５０、Ｂ５０、Ｃ５０、Ｄ５０について、微分抵抗変化と電流との関係を表すグラフ図である。ここでサンプルのサイズは、６０ｎｍ×１１０ｎｍである。図４３から、サンプルＡ５０、Ｂ５０は、サンプルＣ５０、Ｄ５０に比べて、磁化反転のための臨界電流Ｉｃが低く、低電流で書込みが可能であることがわかる。

図４４は、臨界電流Ｉｃの平均値とセルサイズとの関係を表すグラフ図である。いずれのサンプルにおいても、臨界電流Ｉｃはセルサイズに対してほぼ比例関係にある。そして、サンプルＡ５０、Ｂ５０は、サンプルＣ５０、Ｄ５０に比べて、低電流密度で記録が可能であることが分かる。

以上説明したように、図２１及び図２５に表した構造は、低消費電力で書込みが可能な磁気セルに適していることが確認できた。

なお、サンプルＡ５０、Ｂ５０の中間層Ｂ２あるいは中間層Ｂ１に、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、孔が形成されその孔に磁性体あるいは導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合にも、上記と同様の傾向が得られることを見出した。

（第１３の実施例）
次に、本発明の第１３実施例として、反強磁性結合した３層膜を磁性固着構造として用いたサンプルと、単一の磁性層を磁性固着層として用いたサンプルの比較を行った。すなわち、図１５（サンプルＡ６０、Ｅ６０）と図１４（サンプルＢ６０、Ｆ６０）、図２２（サンプルＣ６０、Ｇ６０）と図４５（サンプルＤ６０、Ｈ６０）に表した構造を有する磁気セルをそれぞれ作成した。

サンプルＡ６０（図１５）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）が積層され、その上に反強磁性層ＡＦ１としてＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極が形成された構造を有する。すなわち、サンプルＡ６０も、反平行デュアルピン構造を有する。

サンプルＢ６０（図１４）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）が積層され、その上に反強磁性層ＡＦ１としてＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、さらに上側電極が形成された構造を有する。つまり、サンプルＢ６０も、反平行デュアルピン構造を有する。

サンプルＣ６０（図２２）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ３（０．８ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）が積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）さらに上側電極が形成された構造を有する。すなわち、サンプルＣ６０も、反平行デュアルピン構造を有する。

サンプルＤ６０（図４５）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）が積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極が形成された構造を有する。すなわち、サンプルＤ６０も、反平行デュアルピン構造を有する。

サンプルＥ６０（図１５）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（５ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（６ｎｍ）が積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極が形成された構造からなる反平行デュアルピン構造を有する。

サンプルＦ６０（図１４）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（６ｎｍ）が積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極が形成された構造からなる反平行デュアルピン構造をもつ。

サンプルＧ６０（図２２）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（３ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（５ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（６ｎｍ）が積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極が形成された構造からなる反平行デュアルピン構造を有する。

サンプルＨ６０（図４５）は、下側電極の上に、ＰｔＭｎ（２０ｎｍ）、磁性固着構造Ｐ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（３ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＡｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（６ｎｍ）が積層され、その上にＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、上側電極が形成された構造からなる反平行デュアルピン構造を有する。

エレメントサイズは、全てのサンプルにおいて５０ｎｍ×１２０ｎｍである。 サンプルＡ６０〜Ｈ６０について、微分抵抗変化の電流依存性から求めた臨界電流Ｉｃの平均値を求めた。その結果は以下の如くである。

サンプル 臨界電流Ｉｃの平均（ｍＡ）
Ａ６０ ０．３６
Ｂ６０ ０．６０
Ｃ６０ ０．２９
Ｄ６０ ０．５４
Ｅ６０ ０．３２
Ｆ６０ ０．５５
Ｇ６０ ０．２８
Ｈ６０ ０．５３

いずれの本発明のサンプルについてもＩｃが低いという結果が得られた。サンプルＡ６０とＢ６０とを比較すると、上部の磁性固着層が単一の磁性層Ｃ１の場合（図１４）よりも、磁化が反平行に配置した磁性固着構造Ｐ１を設けた場合（図１５）のほうが、より小さな臨界電流Ｉｃが得られる。同様に、サンプルＣ６０（図２２）とサンプルＤ６０（図４５）との比較、サンプルＥ６０（図１５）とサンプルＦ６０（図１４）との比較、サンプルＧ６０（図２２）とサンプルＨ６０（図４５）との比較、のいずれにおいても、上部の磁性固着層が単一の磁性層Ｃ１の場合（図１４、図４５）よりも、磁化が反平行に配置した磁性固着構造Ｐ１を設けた場合（図１５、図２２）のほうが、より小さな臨界電流Ｉｃが得られる。

すなわち、磁化固着構造として、反平行結合した磁性層と非磁性層との積層膜を用いることにより、臨界電流Ｉｃを下げる効果が顕著であることが確認できた。なお、中間層Ｂ２の材料が絶縁体以外の場合においても同様の効果が得られた。また、また磁性記録層Ａが３層の磁性層により構成される場合も、同様の効果が得られた。

（第１４の実施例）
次に、本発明の第１４実施例として、エレメントサイズを６０ｎｍ×１３０ｎｍとして、以下に説明する構造をもつセルを作製し、臨界電流Ｉｃの平均を求めた。本実施例のサンプルを下部電極から見た積層構造と、臨界電流Ｉｃの測定結果を以下に表す。この結果から、本発明によれば、低消費電力で書込みが可能な磁気セルを提供できることがわかる。

サンプルＡ７０： ＡＦ２（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：２０ｎｍ）／ Ｂ２（ＭｇＯ：１ｎｍ）／Ａ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：２．５ｎｍ）／ Ｂ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：５ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：５ｎｍ）／ＡＦ１（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）
Ｉｃ平均：０．６７ｍＡ

サンプルＡ７１： ＡＦ２（ＰｔＩｒＭｎ：１７ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／Ｂ２（ＭｇＯ：１ｎｍ）／Ａ３（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．８ ｎｍ）／Ａ２（ＮｉＦｅ：０．８）／Ａ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．８ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／ＡＦ１（ＰｔＩｒＭｎ：１７ｎｍ）
Ｉｃ平均：０．４１ｍＡ

サンプルＡ７２： ＡＦ２（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：２０ｎｍ）／Ｂ２（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ：１ｎｍ）／Ａ３（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．８ｎｍ）／Ａ２（ＮｉＦｅ：０．８ｎｍ）／Ａ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．８ ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ） ／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／ＡＦ２（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）
Ｉｃ平均：０．６７ｍＡ

サンプルＡ７３： ＡＦ２（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：２０ｎｍ）／Ｂ２（ＳｉＯ_２ ｗｉｔｈ ｈｏｌｅｓ：５ｎｍ）／Ａ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：３ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：８ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／ＡＦ１（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）
Ｉｃ平均：０．５９ｍＡ

サンプルＡ７４： ＡＦ２（ＩｒＭｎ：１９ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_８Ｆｅ_２：４ｎｍ）／Ｂ２（ＭｇＯ：１ｎｍ）／Ａ３（Ｃｏ_８Ｆｅ_２：０．８ｎｍ）／Ａ２（ＮｉＦｅＣｏ：０．８ｎｍ）／Ａ１（Ｃｏ_８Ｆｅ_２：０．８ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_８Ｆｅ_２：４ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_８Ｆｅ_２：４ｎｍ）／ＡＦ１（ＩｒＭｎ：１９ｍ）
Ｉｃ平均：０．８２ｍＡ

サンプルＡ７５： ＡＦ２（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：２０ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ａ３（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．８ ｎｍ）／Ａ２（ＮｉＦｅ：０．８ｎｍ）／Ａ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．８ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：０．６ｎｍ）／Ｂ１（Ａｌ_２Ｏ_３ with holes stacked with Ｃｕ：３ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：０．６ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／ＡＦ１（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）
Ｉｃ平均：０．５７ｍＡ

サンプルＡ７６： ＡＦ２（ＰｔＭｎ：１０ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：２０ｎｍ）／Ｂ２（ＭｇＯ：０．８ｎｍ）／Ａ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：３ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：５ｎｍ）／ＡＦ１（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）
Ｉｃ平均：０．８３ｍＡ

サンプルＡ７７： ＡＦ２（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：４ｎｍ）／Ｂ２（Ａｌ_２Ｏ_３：０．７ｎｍ）／Ａ３（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．６ ｎｍ）／Ａ２（ＮｉＦｅ：１ｎｍ）／Ａ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．６ ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：８ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：５ｎｍ）／ＡＦ１（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）
Ｉｃ平均：０．７８ｍＡ

サンプルＡ７８： ＡＦ２（ＰｔＩｒＭｎ：１５ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：２０ｎｍ）／Ｂ２（Ａｌ_２Ｏ_３ with holes：３ｎｍ）／Ａ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：３．６ ｎｍ）／Ｂ１（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：５ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：５ｎｍ）／ＡＦ１（ＰｔＩｒＭｎ：１５ｎｍ）
Ｉｃ平均：０．９０ｍＡ

サンプルＡ７９： ＡＦ２（ＰｔＭｎ：２０ｎｍ）／ＦＭ（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：５ｎｍ）／ＡＣ（Ｒｕ：１ｎｍ）／Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：５ｎｍ）／Ｂ２（Ｃｕ：６ｎｍ）／Ａ３（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．６ｎｍ）／Ａ２（ＮｉＦｅ：１．２）／Ａ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：０．６ｎｍ）／Ｂ１（Ｓｉ−Ｎ−Ｏ：１ｎｍ）／Ｃ１（Ｃｏ_９Ｆｅ_１：５ｎｍ）／ＡＦ１（ＰｔＭｎ：１５ｎｍ）
Ｉｃ平均：０．７８ｍＡ

（第１５の実施例）
次に、本発明の第１５の実施例として、リバースタイプの磁気抵抗効果を示す組合せを有する磁気セルと、ノーマルタイプとリバースタイプの磁気抵抗効果を示す組合せを有する磁気セルとをそれぞれ作成し評価した。

図４６は、本実施において作成した磁気セルの断面構造を表す模式図である。この磁気セル（サンプルＸ）においては、磁性固着層Ｃ１と中間層Ｂ１と磁性記録層Ａは、リバースタイプの磁気抵抗効果を示し、また磁性固着層Ｃ２と中間層Ｂ２と磁性記録層Ａも、リバースタイプの磁気抵抗効果を示す。

また、図４７は、比較例の磁気セルの断面構造を表す模式図である。この磁気セル（サンプルＹ）においては、磁性固着層Ｃ１と中間層Ｂ１と磁性記録層Ａは、リバースタイプの磁気抵抗効果を示し、磁性固着層Ｃ２と中間層Ｂ２と磁性記録層Ａは、ノーマルタイプの磁気抵抗効果を示す。それぞれの層構造は次のとおりである。

サンプルＸ：Ｆｅ_３Ｏ_４／ＳｒＴｉＯ_３（ＳＴＯ）／Ｌａ_０．７Ｓｒ_０．３ＭｎＯ_３（ＬＳＭＯ）／ＳｒＴｉＯ_３／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎ

サンプルＹ：Ｆｅ_３Ｏ_４／ＳｒＴｉＯ_３／ Ｌａ_０．７Ｓｒ_０．３ＭｎＯ_３／ＳｒＴｉＯ_３／Ｌａ_０．７Ｓｒ_０．３ＭｎＯ_３／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎ

ここでＦｅ_３Ｏ_４／ＳＴＯ／ＬＳＭＯと、ＬＳＭＯ／ＳＴＯ／ＣｏＦｅは、ともに、磁場の印加とともに抵抗は大きくなった。すなわち、２つの磁性層の磁化が平行時の抵抗が反平行の場合のそれよりも大きくなった。つまり、リバースタイプの磁気抵抗効果を示すことが予め確認できた。

また、ＬＳＭＯ／ＳｒＴｉＯ_３／ＬＳＭＯ／ＣｏＦｅは、磁場の印加とともに抵抗は小さくなった。すなわち、２つの磁性層の磁化が平行時の抵抗が反平行の場合のそれよりも小さくなった。つまり、ノーマルタイプＭＲを示すことが予め確認できた。

下側の固着磁性層Ｃ２を構成するＦｅ_３Ｏ_４として、単結晶基板を用いることで、下部電極として兼用した。ＳＴＯおよびＬＳＭＯ膜は、パルスレーザ法を用いて加熱基板上で成長させた。そして、スパッタチャンバーへサンプルを真空中で搬送し、ＣｏＦｅ層およびＰｔＭｎ層を形成し、さらに上側電極としてＴａ層を形成した。これらの膜形成のち、基板を磁場中アニール炉に導入し、ＰｔＭｎに接したＣｏＦｅ層に交換バイアスを導入し、一方向へ磁化を固着した。

次に、下部ＳＴＯ層まで削り、素子形成を行った。できあがった素子は、Ｆｅ_３Ｏ_４基板ごとピクチャーフレーム形状に加工されたマグネットの一辺へ載せ、Ｆｅ_３Ｏ_４の磁化方向を上側の磁性固着層Ｃ１と反平行の方向に固着した。

このようにして作製したサンプルＸとＹに対し、７７Ｋにて下部電極と上部電極との間に電流を流して、まず磁気抵抗を調べたところ、それぞれ１７％と５０％の値を得た。

次に、７７Ｋにて微分抵抗の電流依存性を調べた。その結果、サンプルＸは、約プラス６０ｍＡおよびマイナス５５ｍＡを中心にして微分抵抗になだらかな、しかしほぼ磁気抵抗の変化に対応する変化が見られた。一方、サンプルＹは、プラスマイナス１００ｍＡの範囲で微分抵抗にある電流値での大きな変化は見られなかった。

以上説明したように、中間層Ｂ１とＢ２を挟んだ積層構造がいずれもリバースタイプの磁気抵抗効果を示す磁気セル（サンプルＸ）は、低消費電力で書込みが可能であった。一方、中間層Ｂ１を介した磁気抵抗効果はリバースタイプであり、中間層Ｂ２を介した磁気抵抗効果がノーマルタイプである場合（サンプルＹ）は、書き込み電流を低減するという効果が得られないことが確認できた。

（第１６の実施例）
次に、本発明の第１６の実施例として、図１４に表した構造の磁気セルを作成した（サンプルＸＸ）。また、比較のため、図４８に表したように磁化が平行配置された２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２をもつ磁気セル（サンプルＹＹ）を作成した。

まず、本実施例において作成した２種類の磁気セル（サンプルＸＸ、サンプルＹＹ）について説明する。

サンプルＸＸ（図１４）は、図示しない下側電極の上に、反強磁性層ＡＦ２としてＰｔＭｎ（１５ｎｍ）を形成し、この上に、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１２ｎｍ）、中間層Ｂ２として磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（６ｎｍ）、その上に反強磁性層ＡＦ１としてＩｒＭｎ（１５ｎｍ）、さらに図示しない上側電極が形成された構造からなる「反平行デュアルピン構造」を有する。

一方、サンプルＹＹ（図４８）は、図示しない下側電極の上に、反強磁性層ＡＦ２としてＰｔＭｎ（１５ｎｍ）を形成し、この上に、磁性固着層Ｃ２としてＣｏ_９Ｆｅ_１（１２ｎｍ）、中間層Ｂ２としてＣｕ（４ｎｍ）、磁性記録層ＡとしてＣｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）、中間層Ｂ１としてＣｕ（６ｎｍ）、磁性固着層Ｃ１としてＣｏ_９Ｆｅ_１（６ｎｍ）、その上に、反強磁性層ＡＦ１としてＰｔＭｎ（１５ｎｍ）、さらに図示しない上側電極が形成された構造を有する。

以下に説明する作製方法により、サンプルＸＸの２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２は反平行に固着し、一方、サンプルＹＹの２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２は平行に固着した。

サンプルＸＸは、次のように作製した。
まず、ウェーハ上に下側電極を形成したのち、そのウェーハを超高真空スパッタ装置へ導入し、表面をスパッタクリーニングした後、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／ Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１２ｎｍ）／Ｃｕ（４ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（６ｎｍ）／ＩｒＭｎ（１５ｎｍ）という多層膜を堆積して、装置から取り出した。

次に、ウェーハを真空磁場炉へ入れ、２７０℃で１０時間、磁場中アニールを行い、固着層Ｃ１、Ｃ２に同一方向の交換バイアスを付与し、次に温度を２４０℃にして磁場極性を反転させ、１時間磁場中アニールを行い、固着層Ｃ１にＣ２と逆向きの交換バイアスを付与した。

次に、レジストを塗布してＥＢ（電子ビーム）描画装置にて電子ビーム露光した後、上述したエレメントサイズに対応したマスクパターンを形成した。このパターンに対してイオンミリング装置により磁性固着層Ｃ２の上部までミリングしてエレメントを形成した。

エレメント形状は、エレメントの長手軸方向が磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の交換バイアス方向に平行となるように設定した。そしてこのエレメントの周りにＳｉＯ_２を埋めこみ、上側電極を形成して磁気セルを完成した。

一方、サンプルＹＹは、次のように作製した。
まず、ウェーハ上に下側電極を形成したのち、そのウェーハを超高真空スパッタ装置へ導入し、表面をスパッタクリーニングした後、ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１２ｎｍ）／Ｃｕ（４ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（６ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）という多層膜を堆積して、装置から取り出した。

次に、ウェーハを真空磁場炉へ入れ、２７０℃で１０時間、磁場中アニールを行い、固着層Ｃ１、Ｃ２に交換バイアスを付与した。
次に、レジストを塗布してＥＢ（電子ビーム）描画装置にて電子ビーム露光した後、上述したエレメントサイズに対応したマスクパターンを形成した。このパターンに対してイオンミリング装置により磁性固着層Ｃ２の上部までミリングしてエレメントを形成した。

エレメント形状は、エレメントの長手軸方向が磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の交換バイアス方向に平行となるように設定した。そしてこのエレメントの周りにＳｉＯ_２を埋めこみ、上側電極を形成して磁気セルを完成した。

エレメントサイズ５０ｎｍ×１１０ｎｍ、８０ｎｍ×１６０ｎｍの２種類のサイズについて、上側電極と下側電極との間に電流をプラスマイナス１０ｍＡまで流して、微分抵抗の電流依存性を測定し、臨界電流Ｉｃの平均値を求めた。結果は以下の如くである。

サンプル サイズ 臨界電流Ｉｃの平均（ｍＡ）
ＸＸ ５０ｎｍ×１１０ｎｍ ０．７０
ＸＸ ８０ｎｍ×１６０ｎｍ １．８３
ＹＹ ５０ｎｍ×１１０ｎｍ ９．２２
ＹＹ ８０ｎｍ×１６０ｎｍ 反転せず

以上の結果から、参考サンプルとして作製した平行配置したデュアルピン構造は、反転電流の低減効果が得られないが、図１４に表した「反平行デュアルピン構造」とすることで低電流で書込みが可能であることがわかる。

なお、サンプルＸＸの中間層Ｂ２として、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、ホールが形成されそのホールに磁性体あるいは導電性金属（Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）が埋めこまれたＳｉＯ_２あるいはＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合にも、上記と同様の傾向が得られることを確認した。

（第１７の実施例）
次に、本発明の第１７実施例として、本発明の磁気セルと、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Semicoductor-Oxide Field Effect Transistor）とを組み込んだ磁気メモリ（Magnetic Random Access Memory：ＭＲＡＭ）について説明する。

図４９は、本実施例の磁気メモリのメモリセルの断面構造を表す模式図である。この磁気メモリは、図３１に表した等価回路を有する。ただし、ビット線とワード線の割り当てについては、図示したものとは逆にした。すなわち、このメモリセルは、本発明の磁気セル１０とＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ）とを有する。このメモリセルは、マトリクス状に設けられ、それぞれがビット線ＢＬとワード線ＷＬに接続されている。特定のメモリセルの選択は、そのメモリセルに接続されたビット線ＢＬと、ＭＯＳＦＥＴ（ＴＲ）のゲートＧに接続されたワード線ＷＬとを選択することにより実行される。

図４９（ａ）及び（ｂ）は、書き込み動作を説明するための概念図である。すなわち、磁気セル１０への書きこみは、ビット線ＢＬを通して磁気セル１０へ電流を流すことにより行う。磁化反転電流Ｉｃより大きい書きこみ電流Ｉｗを流すことで、磁性記録層Ａに信号を書きこむ。磁気セル１０がノーマルタイプのＭＲとノーマルタイプのＭＲとの組合せからなる場合には、電子が最初に流れた磁性固着層の磁化の向きと同方向になるように、磁性記録層の磁化が書きこまれる。従って、書き込み電流Ｉｗの極性に応じて、磁性記録層Ａの磁化の方向が変化し、同図（ａ）に表したように「０」を書き込み、同図（ｂ）に表したように「１」を書きこむことができる。なお、「０」と「１」の割り当ては、逆にしてもよい。

図４９（ｃ）及び（ｄ）は、読み出し動作を説明するための概念図である。読み出しは、磁気セル１０の抵抗の大きさで検出する。センス電流Ｉｒの向きはどちらの向きでもよいが、センス電流Ｉｒは、磁化反転電流Ｉｃよりも小さくする必要がある。

図４９に表した構造において、下側の中間層Ｂ２の抵抗が上側の中間層Ｂ１の抵抗に比べて大きいとすると、同図（ｃ）に表した方向にセンス電流Ｉｒを流した場合には抵抗が大きく、同図（ｄ）に表した方向にセンス電流Ｉｒを流した場合には抵抗が小さい。この抵抗の違いを電圧として検出することによって読み出しが可能となる。そこで、例えば、同図（ｃ）に表した場合を「０」、同図（ｄ）に表した場合を「１」と割り当てることができる。但し、「０」と「１」の割り当ては、逆にしてもよい。

以下、本実施例の磁気メモリについて、具体例を参照しつつさらに詳細に説明する。
ＭＯＳＦＥＴが形成されたウェーハに、まず下部配線および下側電極部を形成したのち、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１５ｎｍ）／Ａｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（０．６ｎｍ）／ＮｉＦｅ（１．２ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（０．６ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）なる多層膜を成長させた。そして、この多層膜に微細加工を施して素子化した。

その際、図５０に表したように、中間層Ｂ２のＡｌ_２Ｏ_３層上部でイオンミリングを止めた。これは、中間層Ｂ２となるＡｌ_２Ｏ_３層をイオンミリングすると、その側面に、ミリングされた材料が再付着（リデポジション）してＡｌ_２Ｏ_３の側面で電流リークが生ずる場合があるからである。これに対して、図５０に表したように中間層Ｂ２のＡｌ_２Ｏ_３層をイオンミリングによりエッチングしなければ、リデポジションによる電流リークを防ぐことができる。

磁気セルの積層構造をパターニングにより形成したら、その上部に配線を形成し、２×２のマトリクス状の磁気メモリを作製した。

得られた磁気メモリにおいて、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとを選択することでメモリセルを選択した。
書き込み電流を（１）プラスマイナス０．１５ｍＡ、２０ミリ秒のパルス電流、（２）プラスマイナス０．５ｍＡ、１０ミリ秒のパルス電流、（３）プラスマイナス２ｍＡ、０．８ナノ秒、の３通りとしてテストした。読み出しは、０．１ｍＡのセンス電流を流し、電圧を読み取ることで行った。その結果、上記（１）の条件の場合、書きこみ後の抵抗変化が見られず、記録されていないことが明らかとなった。

上記（２）の条件の場合、始めにマイナス０．５ｍＡの書き込み電流Ｉｗを流した場合に、低抵抗状態から高抵抗状態へ抵抗が変化した。しかし、その後、極性を反転させた電流パルスで書きこみを行っても、抵抗は高抵抗状態を保ったままであった。これから、一方向のみ信号書き込みできたことが分かる。

上記（３）の条件の場合、書き込み電流Ｉｗの極性に応じて抵抗が変化し、「０」信号と「１」信号ともに書き込むことができた。

また、１０ナノ秒の０．３ｍＡのパルス電流を図示しないワード線へ印加することで、先ほど書き込みが不充分であった（２）の条件においても書き込むことが可能となった。これは、追加したワード線から発生した電流磁界が、スピン偏極電子による磁化反転を促進したからである。

以上より、本発明の磁気メモリは、低電流で記録が可能な磁気メモリに適していることを示した。

なお、本発明の磁気メモリにおいてメモリセルを選択する方法は、ＭＯＳＦＥＴ以外にもある。
図５１は、ダイオードを用いた磁気メモリを表す模式図である。すなわち、縦横マトリクス状に配線されたビット線ＢＬとワード線ＷＬの交差点の付近に、本発明の磁気セル１０と、ダイオードＤとが直列に接続されている。

この磁気メモリの場合、ワード線ＷＬとビット線ＢＬとを指定することで特定のメモリセルにアクセスできる。この場合、ダイオードＤは、選択されたワード線ＷＬ及びビット線ＢＬに接続された他のメモリセルを流れる電流成分を遮断する役割を有する。

（第１８の実施例）
次に、本発明の第１８の実施例として図２６に表したプローブアクセス型の磁気メモリについて説明する。

本実施例においては、図２７に表した記録再生一体型の磁気素子を基板上に形成した。
まず、ウェーハに下部配線を形成したのち、複数の磁気セルに共通接続される下側電極ＬＥを形成した。そして、このウェーハ上に、Ｔａ（５ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１５ｎｍ）／Ａｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２ｎｍ）／Ｃｕ（６ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／Ｒｕ（１ｎｍ）／Ｃｏ_９Ｆｅ_１（４ｎｍ）／ＰｔＭｎ（１５ｎｍ）／Ｐｔ（２ｎｍ）という積層構造の多層膜を成長させた。

この多層膜に対して、２相分離型のポリマーを塗布して熱処理することで、セル用マスクを形成した。次に、イオンミリングを行うことで、パターンド媒体を形成できる。イオンミリングは、磁性記録層Ｃｏ_９Ｆｅ_１（２ｎｍ）の下までとし、中間層Ｂ２（Ａｌ_２Ｏ_３（０．８ｎｍ））、磁性固着層Ｃ２（Ｃｏ_９Ｆｅ_１（１５ｎｍ））は複数の磁気セルが共有する構造を形成した。

この構造においては、中間層Ｂ２をパターニングしないので、その側面へのリデポジションによる予期しない電流パスの形成を防ぐことができる。また、セル抵抗の均一性を得ることができる。これにより、直径約２８ｎｍの複数の磁気セルを形成できる。次に、磁気セル間に絶縁体１００を埋め込み、図２７に表した構造が完成した。

この複数の磁気セル１０に対して、プローブ２００を走査させ、各セルへ電気的に接触させることによってセルを選択できる。
まず、セル１にはプラス０．２ｍＡの電流（ここでは、電子が上側電極から下側電極へ流れる向きをプラスと定義する）を流して信号「１」を書き込み、セル２にはマイナス０．２ｍＡの電流を流して信号「０」を書き込んだ。さらに、セル３へプラス０．２ｍＡの電流を流して信号「１」を、セル４へマイナス０．２ｍＡの電流を流して信号「０」を書き込んだ。

次に、読み出しを行った。すなわち、プラス０．０３ｍＡのセンス電流を流して、各セルの抵抗を調べた。その結果、検出された抵抗は２値であり、セル１からセル４までそれぞれ、高抵抗、低抵抗、高抵抗、低抵抗となった。つまり、それぞれのセルに、「１」あるいは「０」信号が書き込まれていることを確認した。

なお、書込み電流がプラスマイナス０．０５ｍＡの場合には、安定した信号書込みができなかった。
以上説明したように、本実施例の磁気メモリは、低電流で記録が可能な磁気メモリに適していることが確認できた。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気セルを構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、パッシベーション、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、磁気セルにおける反強磁性層、磁性固着層、中間層、磁性記録層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ単層として形成してもよく、あるいは２以上の層を積層した構造としてもよい。

その他、本発明の実施の形態として上述した磁気セルや磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気セル、磁気メモリも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

本発明の第１の実施の形態にかかる磁気セルの基本的な断面構造を例示する模式図である。 磁化が膜面に対して垂直な方向に制御された磁気セルの断面構造を表す模式図である。 図１に表した磁気セルにおける「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。 磁気セルがリバースタイプの磁気抵抗効果を示す場合における「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。 図２に表した磁気セルにおける「書き込み」のメカニズムを説明するための模式断面図である。 本発明の実施形態の磁気セルの読み出し方法を説明するための概念図である。 磁化の相対的な向きによる磁気抵抗の変化を説明するための概念図である。 非対称構造の第１の具体例を表す模式断面図である。 （ａ）は、非対称構造の第２の具体例を表す模式断面図であり、（ｂ）は、非対称構造の第３の具体例を表す模式断面図である。 非対称構造の第４の具体例を表す模式断面図である。 非対称構造の第５の具体例を表す模式断面図である。 固着層Ｃ１、Ｃ２の静磁結合を表す模式断面図である。 反強磁性層を設けた磁気セルを表す模式断面図である。 固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化をそれぞれ反強磁性層により固着した磁気セルを表す模式断面図である。 固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化をそれぞれ反強磁性層により固着した磁気セルを表す模式図である。 固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化を反強磁性層により固着した磁気セルのもうひとつの具体例を表す模式断面図である。 非磁性層を介した層間交換相互作用の膜厚依存性を表すグラフ図である。 ２層の磁性記録層を設けた磁気セルを表す模式断面図である。 磁性固着層と磁性記録層Ａとをそれぞれ積層構造とした具体例を表す模式断面図である。 磁性固着層と磁性記録層Ａとをそれぞれ積層構造とした具体例を表す模式断面図である。 磁性固着層と磁性記録層Ａとをそれぞれ積層構造とした具体例を表す模式断面図である。 ２つの磁性固着構造が設けられた具体例を表す模式断面図である。 ２つの磁性固着構造とともに磁性記録層も積層構造とした具体例を表す模式断面図である。 ２つの磁性固着構造とともに磁性記録層も積層構造とした具体例を表す模式断面図である。 ２つの磁性固着構造とともに磁性記録層も積層構造とした具体例を表す模式断面図である。 本発明の磁気セルを用いた磁気メモリを表す模式図である。 各セル１０が、その一部の層を共有する構造を表す模式図である。 本発明の磁気セルを用いた磁気メモリの第２の具体例を表す模式断面図である。 （ａ）は、本実施例の磁気セルの要部断面構造を表す模式図であり、同図（ｂ）は、比較例の磁気セルの要部断面構造を表す模式図である。 第５実施例におけるプロービングを表す模式図である。 本発明の第６実施例における磁気メモリを表す概念図である。 サンプルＡ１０の微分抵抗を表すグラフ図である。 サンプルＢ１０の微分抵抗を表すグラフ図である。 図３２及び図３３におけるバックグラウンドの曲線成分を除去し、さらに低抵抗状態の微分抵抗によって規格化した微分抵抗変化を表すグラフ図である。 磁化反転臨界電流Ｉｃの平均値とセルサイズとの関係を表すグラフ図である。 サンプルＣ２０の断面構造を表す模式図である。 サイズ６０ｎｍ×１１０ｎｍのサンプルＡ２０、Ｂ２０、Ｄ２０、Ｅ２０について、微分抵抗変化の電流依存性を表すグラフ図である。 臨界電流Ｉｃの平均値と、セルサイズとの関係を表すグラフ図である。 サンプルＡ３０、Ｂ３０、Ｄ３０、Ｅ３０について、微分抵抗変化と電流との関係を表すグラフ図である。 臨界電流Ｉｃの平均値とセルサイズとの関係を表すグラフ図である。 サンプルＡ４０、Ｂ４０、Ｄ４０、Ｅ４０について、微分抵抗変化と電流との関係を表すグラフ図である。 臨界電流Ｉｃの平均値とセルサイズとの関係を表すグラフ図である。 サンプルＡ５０、Ｂ５０、Ｃ５０、Ｄ５０について、微分抵抗変化と電流との関係を表すグラフ図である。 臨界電流Ｉｃの平均値とセルサイズとの関係を表すグラフ図である。 本発明の第１３実施例におけるサンプルＤ６０とサンプルＨ６０の構造を表す模式図である。 本実施において作成した磁気セルの断面構造を表す模式図である。 比較例の磁気セルの断面構造を表す模式図である。 磁化が平行配置された２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２をもつ磁気セルの断面構造を表す模式図である。 本発明の実施例の磁気メモリのメモリセルの断面構造を表す模式図である。 中間層Ｂ２のＡｌ_２Ｏ_３層上部でイオンミリングを止めた構造を表す模式図である。 ダイオードを用いた磁気メモリを表す模式図である。

符号の説明

１０ 磁気セル
１００ 絶縁体
１１０ 基板（下側電極）
１２０ 配線
２００ プローブ
２１０ 駆動機構
２２０ 電源
２３０ 検出回路
Ａ、Ａ１、Ａ２ 磁性記録層
ＡＣ 非磁性層
ＡＦ、ＡＦ１、ＡＦ２ 反強磁性層
Ｂ、Ｂ１〜Ｂ４ 中間層
ＢＬ ビット線
Ｃ、Ｃ１〜Ｃ３ 磁性固着層
ＥＬ１、ＥＬ２ 電極
ＦＣ 非磁性層
ＦＭ、ＦＭ１ 磁性層
Ｉ 電流
ＩＥ 中間物質層
ＩＬ 絶縁層
Ｉｒ 再生電流
Ｉｓ 磁化反転電流
Ｉｗ 電流
Ｍ、Ｍ１、Ｍ２ 磁化
ＭＹ 磁気ヨーク
ＰＨ 磁性固着層ホール
ＴＲ トランジスタ
ＷＬ ワード線

Claims (18)

1. 磁化が膜面に対して垂直な第１の方向に固定された第１の強磁性層と、
   磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
   前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
   を備え、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、
   前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁気セル。
2. 前記第３の強磁性層の磁化容易軸は、前記第１の方向に対して平行であることを特徴とする請求項１記載の磁気セル。
3. 前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の電気抵抗は、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第１の方向と同一の状態において第１の値となり、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第２の方向と同一の状態において前記第１の値よりも大なる第２の値となり、
   前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の電気抵抗は、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第２の方向と同一の状態において第３の値となり、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第１の方向と同一の状態において前記第３の値よりも大なる第４の値となることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気セル。
4. 前記第１の強磁性層から前記第３の強磁性層を介して前記第２の強磁性層に向けて電子電流を流した場合には、前記第３の強磁性層の磁化の方向は前記第１の方向とされ、
   前記第２の強磁性層から前記第３の強磁性層を介して前記第１の強磁性層に向けて電子電流を流した場合には、前記第３の強磁性層の磁化の方向は前記第２の方向とされることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気セル。
5. 磁化が第１の方向に固定された第１の強磁性層と、
   磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
   前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
   を備え、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、
   前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の電気抵抗は、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第１の方向と同一の状態において第１の値となり、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第２の方向と同一の状態において前記第１の値よりも小なる第２の値となり、
   前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間の電気抵抗は、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第２の方向と同一の状態において第３の値となり、前記第３の強磁性層の前記磁化の方向が前記第１の方向と同一の状態において前記第３の値よりも小なる第４の値となることを特徴とする磁気セル。
6. 前記第１の中間層の電気抵抗と前記第２の中間層の電気抵抗とが互いに異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気セル。
7. 磁化が第１の方向に固定された第１の強磁性層と、
   磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
   前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
   を備え、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、
   前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、
   前記第１及び第２の中間層のいずれか一方は、ピンホールを有する絶縁体からなり、前記ピンホールは、前記絶縁体の両側に隣接する前記強磁性層の材料によって充填されてなることを特徴とする磁気セル。
8. 前記第１及び第２の強磁性層の少なくともいずれかは、隣接して設けられた反強磁性層によりその磁化方向が固定されてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気セル。
9. 磁化が第１の方向に固定された第１の強磁性層と、
   磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
   前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
   を備え、
   前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、
   前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、
   前記第１及び第２の強磁性層の少なくともいずれかに隣接して非磁性層と第４の強磁性層と反強磁性層とがこの順に積層され、
   前記非磁性層の両側に隣接する前記強磁性層の磁化の方向は、同一の方向に固定されてなることを特徴とする磁気セル。
10. 前記第１及び第２の強磁性層の少なくともいずれかに隣接して非磁性層と第４の強磁性層と反強磁性層とがこの順に積層され、
    前記非磁性層の両側に隣接する前記強磁性層の磁化の方向は、反対の方向に固定されてなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気セル。
11. 磁化が膜面に対して垂直な第１の方向に固定された第１の強磁性層を含む第１の磁化固着部と、
    磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層を含む第２の磁化固着部と、
    前記第１の磁化固着部と前記第２の磁化固着部との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、
    前記第１の磁化固着部と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
    前記第２の磁化固着部と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
    を備え、
    前記第３の強磁性層の磁化容易軸は、前記第１の方向に対して平行であり、
    前記第１及び第２の磁化固着部の少なくともいずれかは、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され前記強磁性層が前記非磁性層を介して反強磁性結合してなる積層体を有し、
    前記第１の強磁性層は、前記第１の中間層に隣接し、
    前記第２の強磁性層は、前記第２の中間層に隣接し、
    前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、
    前記第１の磁化固着部と前記第２の磁化固着部との間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁気セル。
12. 前記第１及び第２の磁化固着部のいずれか一方が有する前記強磁性層の数は偶数であり、前記第１及び第２の磁化固着部のいずれか他方が有する前記強磁性層の数は奇数であることを特徴とする請求項１１記載の磁気セル。
13. 前記第１及び第２の磁化固着部と、前記第３の強磁性層と、前記第１及び第２の中間層と、がその上に積層された基板をさらに備え、
    前記第１及び第２の磁化固着部のうちの前記基板から遠い側に設けられたものが有する前記強磁性層の数は、偶数であることを特徴とする請求項１２記載の磁気セル。
14. 磁化が第１の方向に固定された第１の強磁性層と、
    磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、
    前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、
    前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
    前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
    を備え、
    前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、
    前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、
    前記第３の強磁性層は、強磁性体からなる複数の層を積層させた積層体であることを特徴とする磁気セル。
15. 前記第１及び第２の中間層のいずれか一方は導電体からなり、いずれか他方は絶縁体からなることを特徴とする請求項１〜６及び８〜１４のいずれか１つに記載の磁気セル。
16. 請求項１〜１５のいずれか１つに記載の複数の磁気セルを絶縁体を間に介しつつマトリクス状に設けたメモリセルを備えたことを特徴とする磁気メモリ。
17. 複数の磁気セルを絶縁体を間に介しつつマトリクス状に設けたメモリセルを備え、
    前記複数の磁気セルのそれぞれは、
    磁化が膜面に対して垂直な第１の方向に固定された第１の強磁性層と、
    磁化が前記第１の方向とは反対の第２の方向に固定された第２の強磁性層と、
    前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に設けられ、磁化の方向が可変の第３の強磁性層と、
    前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第１の中間層と、
    前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に設けられた第２の中間層と、
    を有し、
    前記第１の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第１の中間層を設けたもの、及び前記第２の強磁性層と前記第３の強磁性層との間に前記第２の中間層を設けたものは、それぞれ磁気抵抗効果素子を構成し、
    前記第１及び第２の強磁性層の間で電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第３の強磁性層に作用させて前記第３の強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能とし、
    前記メモリセル上の前記磁気セルのそれぞれに対して、プローブによりアクセス可能としたことを特徴とする磁気メモリ。
18. 前記メモリセル上の前記磁気セルのそれぞれにワード線とビット線とが接続され、
    前記ワード線とビット線とを選択することにより、特定の磁気セルに対して情報の記録または読み出しを可能とした請求項１６記載の磁気メモリ。

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